原文章写于2024年7月27日英才计划期间

一、实验背景

       近年来，一种基于二维（2D）材料的新型光电探测器引起了人们的广泛关注。得益于有限的尺寸和超高的表面体积比，二维材料可以产生超常的光-物相互作用，并获得较高的光增益。例如，单层石墨烯可以对 300~2500 nm 的超宽光谱范围产生良好的光响应，这种宽光谱探测能力以及快速响应速度已使石墨烯成为 2D光电探测器领域的新兴光敏材料。

       此外，二硫化钼（MoS2 ）表现出卓越的光电性能，如高光响应性、低暗电流，以及可通过层厚度来 实现更宽的光吸收带隙等。MoS2在未来的光电探测器中有着广阔的应用前景。因其简单的制造工艺可以和互补的金属氧化物半导体（CMOS）技术兼容，利用 MoS2的本征性质来增强器件的探测能力是非常可取的。从第一个单层 MoS2光电探测器的诞生到如今，科研人员结合多种方法不断提升其性能。本文从光电探测器的原理入手，研究厚度对 MoS2 光电探测器的性能提升机制，并对今后的研究方向做出展望。

基于 MoS2的光电探测器研究已成为当今比较重要的课题。目前，成熟的二维材料制备方法有机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法和化学气相沉积法（CVD）等。其中最简单、质量最好的方法是用胶带撕裂晶体的机械剥离法。该方法制备的二维材料适用于研究本征物理性质。2018年，利用机械剥离法制备出转角双层石墨烯，发现了超导性质，为电子关联体系的研究打开了新的大门。由于原子结构的不同，二维材料在二维平面内可能具有各向同性（如石墨烯）或各向异性（如黑磷）的光学性质，在光调制、光信息处理、光开关以及光传感等众多领域存在潜在应用。但机械剥离法制备的二维材料尺寸一般在μm量级，因此需要利用扫描电子显微镜对其光学性质进行研究。

综上，针对二维材料厚度与光电响应速度的研究不仅有较好的科研背景和经验，极其广阔的应用前景，同时还有利于我们自下而上地了解三维材料的性质。

二、实验原理

二维材料（Two-dimensional material）是指电子仅可在两个维度的纳米尺度（1-100 nm）上自由运动（平面运动）的材料。

二维材料每层由结合力很强的共价键或离子键结合而成，层与层之间没有悬挂键，而是依靠较弱的范德华力结合在一起，根据这种结构性质二维材料也被命名为层状材料。由于层状材料的层间相互作用可依靠外力轻易打破，这使得将单层或者少数原子层从块体中无损剥离出来成为可能。制备高质量的二维材料时，采用机械剥离法，该方法所制备的二维材料具有缺陷少、表面平整和迁移率高等优势。

半导体（Semiconductor）是常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。它在集成电路、消费电子、通信系统、光伏发电、照明、大功率电源转换等领域都有应用。本实验所研究的二硫化钼就是一种半导体，可应用于光电探测领域。

本实验使用氧化硅片作为衬底材料，硅片厚度为525 μm，其上表面做氧化处理，氧化层SiO2厚度约300 nm，下表面为磨砂面。器件以MoS2纳米片作沟道，金作为电极，原因是其非常稳定，导电性好，耐腐蚀，长时间使用性能不易改变，且方便控制电极的横截面积。

图2-1  MoS2光电探测器结构

光电效应（Photoelectric effect）是指光照射到金属上，引起物质的电性质发生变化。这类光变致电的现象被人们统称为光电效应（Photoelectric effect）。光电效应分为光电子发射、光电导效应和阻挡层光电效应，又称光生伏特效应。前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应（Photoelectric emission）。后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。

本实验中， MoS2光电探测器被光照射之后，半导体材料中的电子状态发生变化，从而引发光电导效应、光生伏特效应或者光电子发射现象。

原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM），AFM是在STM的基础上发展起来的一种显微技术。

扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）是利用原子间的隧道效应进行测量的。

经典物理学认为，物体越过势垒，有一阈值能量；粒子能量小于此能量则不能越过， 大于此能量则可以越过。例如，骑自行车过小坡，先用力骑，如果坡很低，不蹬自行车也可以靠惯性过去。如果坡很高，不蹬自行车，那么车到一半就会停住，然后退回去。 量子力学则认为，即使粒子能量小于阈值能量，很多粒子冲向势垒，一部分粒子会反弹，不过，还有一些粒子却能过去，好像有一个隧道，故名隧道效应（Quantum tunneling），也叫“量子隧穿”。可见，宏观上的确定性在微观上往往就具有不确定性。虽然在通常的情况下，隧道效应并不影响经典的宏观效应，因为隧穿几率极小，但在某些特定的条件下宏观的隧道效应也会出现。

图2-2  量子隧穿

STM就是根据这种隧道效应制成的。当针尖和样品面间距足够小时（<0.4 nm），在针尖和样品间施加一偏置电压，便会产生隧道效应。电子会穿过势垒，在针尖和样品间流动，形成隧道电流。在相同的偏置电压下，电流强度对针尖和样品间的距离十分敏感，隧道电流随间距呈指数变化，样品表面的形貌影响着隧道电流的剧烈变化，这种电流变化有计算机进行处理就可以的到样品表面的形貌了。

图2-3  STM的工作原理

当原子间距离减小到一定程度以后，原子间的作用力将迅速上升。因此，由显微探针受力的大小就可以直接换算出样品表面的高度，从而获得样品表面形貌的信息。

AFM结合了力检测部分、位置检测部分以及反馈系统来将样品的表面特性呈现出来：在原子力显微镜（AFM）的系统中，使用微小悬臂（cantilever）来感测针尖与样品之间的交互作用，测得作用力。这种作用力会使悬臂摆动，再利用激光将光照射在悬臂的末端。当摆动形成时，会使反射光的位置改变而造成偏移量，此时激光检测器会记录此偏移量，也会把此时的信号给反馈系统，以利于系统做适当的调整，最后再将样品的表面特性以影像的方式呈现出来。

图2-4  原子力显微镜及其工作原理

三、实验目的

1. 了解二维材料光电探测器的基本工作原理；

2. 掌握制备二维材料光电探测器的基本实验操作技能和方法，对材料特性、材料剥离、器件构筑和性能测试有初步认知；

3. 测量并分析二维材料光电探测器的光电响应速度与厚度的关系。

四、实验材料

实验所使用的多数器材为普通物理实验中的常用仪器，主要实验器材见表1。

表1 主要实验器材

 五、实验设计

1. 机械剥离获得二维材料纳米片

（1）使用蓝膜胶带将MoS2从晶体上剥离，获得材料的多层样品；

（2）用PDMS膜在蓝膜胶带上剥离材料，获得少层样品。

2. 在光学显微镜下选择合适厚度的二维纳米片

（1）将沾有少层样品的PDMS膜置于光学显微镜下观察，初步通过颜色观察材料厚度；

（2）选择表面平整、颜色均一的样品。

3. 定位转移

（1）将挑选出的样品的PDMS膜片以十字交叉方法堆叠于载玻片，确认样品在交叠区域；

（2）将载玻片固定在机械转移台上，并置于光学显微镜下观察，定位样品；

（3）调整三维移动台z轴至样品与衬底接触；

（4）轻压一段时间后，反方向调整z轴，使PDMS脱离衬底，而样品保持在衬底上。

4. 掩膜

（1）将转移好样品的硅片用高温胶带固定于载玻片上；

（2）在光学显微镜下挑选合适尺寸的掩模板；

（3）使用针头沾取比MoS2样品更细的MoO3掩膜，放置于样品上，两端超出样品边缘；

（4）使用探针台将掩模板放置于样品上。过程中注意轻拿轻放，避免振动、碰撞。

5. 蒸镀金电极

（1）将处理好的样品放入蒸镀设备中，过程中注意轻拿轻放，避免振动、碰撞；

（2）蒸镀金电极，厚度约为50 nm；

（3）使用针头小心移除掩膜，留下未镀金的区域作为绝缘间隙。

6. 划电极

（1）用探针台将掩模板移开；

（2）将材料两侧金属划分为两部分区域，用作后续测试中的电极部分。

7. 测试

（1）使用原子力显微镜测量MoS2样品的厚度；

（2）在暗房环境下使用电源供应器进行电流-电压 (I-V) 测量，调整激光功率，并记录数据；

（3）在暗房环境下进行电流-时间 (I-T) 测试，调整激光功率，并记录数据。

8. 分析

分析不同激光功率下的I-V和I-T曲线，评估薄膜的光电性能。

六、实验过程

1. 样品剥离与筛选

使用蓝膜胶带（如图6-1所示）将MoS2从晶体上剥离，获得材料的多层样品。

图6-1  蓝膜胶带

镊子将PDMS薄膜贴附于带有MoS2薄层的胶带上，快速撕下后，置于光学显微镜载物台上，如图6-2所示。

 图6-2 上图：采用PDMS剥离MoS2；下图：将PDMS放置于显微镜下观察，旁边为蓝色胶带

在显微镜下寻找极薄且均匀的MoS2晶体，并记录其在PDMS膜上的位置。图6-3为找到的样品，图6-4为样品局部放大图。

图6-3  右图样品位于中下部

图6-4  样品处理图

2. 定位转移

将标记好的PDMS膜以十字交叉的方式粘贴在载玻片上，确保MoS2样品面朝下且在交叠区域；将载玻片固定在转移台上，粘有PDMS膜的载玻片面向下，下面放置硅片，如图6-5所示。

图6-5  硅片应保证光面朝上

缓慢向下移动转移台，并在光学显微镜下观察，使MoS2样品接触并粘附于硅片表面。随后缓慢向上移动使PDMS脱离衬底。如图6-6所示，机械剥离的样品表面平滑，无明显的孔洞或气泡

图6-6  转移后的样品

3. 掩膜与蒸镀

将转移好样品的硅片用高温胶带固定于载玻片上；使用钨钢探针沾取比MoS2样品更细的MoO3掩膜（如图6-7所示），用探针转移于样品上，呈十字叠放（如图6-8所示）。

图6-7  沾取掩膜   此操作应确保轻拿轻放，避免震动、碰撞

图6-8  掩膜后的样品及处理图

 对整个样品进行约50nm厚度的金镀层处理（如图6-9所示）。

图6-9  蒸镀后的处理图

使用探针小心移除掩膜，留下未镀金的区域作为绝缘间隙（如图6-10，图6-11）。

图6-10  使用探针移除掩膜

图6-11  移除掩膜后的样品

4. 划电极

将材料两侧金属划分为两部分区域，中间形成沟道，用作后续测试中的电极部分。

图6-12  划沟道（划电极）

5. 测试

利用原子力显微镜测量二维材料的厚度（如图6-13）。

图6-13  原子力显微镜工作界面

在暗房环境下使用电源供应器进行电流-电压 (I-V)与电流-时间 (I-T) 测试（如图6-14，图6-15）；使用激光器照射样品，改变激光功率，记录不同功率下的 I-V与 I-T数据，同时计算出其响应时间和响应度。

图6-14

图6-15

七、实验结果

(1) 厚度分析

 如图7-1所示，样品1的尺寸约15μm×8μm，显微镜下整体呈现黄绿色。原子力显微镜的测试显示样品表面平整，b图中气泡的产生可能与扫描距离较远有关。通过轮廓线分析，器件的厚度约36 nm。

图7-1  样品1的光学照片（a） 原子力显微镜照片（b）形貌轮廓线（c）

  如图7-2所示，样品1的尺寸约10μm×3μm，显微镜下整体呈现黄色。原子力显微镜的测试显示样品表面平整。通过轮廓线分析，器件的厚度约26 nm。

图7-2 样品2的光学照片（a），原子力显微镜照片（b）形貌轮廓线（c）

从上面可以看出，样品2比样品1的厚度更薄。

 (2) 光电性能分析

图7-3：样品1的响应电压-电流（IV）曲线（左图）和电流-时间（IT）曲线（右图）

对光电器件的测试我们首先测量暗态环境下的器件IV特性曲线。如图7-3所示，样品1的IV曲线呈直线，暗电流比较小，在2V电压下有不到10nA的电流。进一步我们用不同光强的激光照射器件，测量器件随光强变化的响应特性。在光照下，器件电流有一定的提升，如在50mW激光照射下，电流接近了20nA，显示器件有明显的光电响应。 为了解器件的响应特性。

进一步，我们使用周期性变亮变暗的激光器照射样品，并调整激光器功率，测试器件的时间响应。可以看到在光照时电流缓慢上升，随着照射强度提升，响应电流增强明显，但器件的整体响应电流在几十nA，变化幅度小于1nA，响应速度较慢。

图7-4：样品2的响应电压-电流（IV）曲线（左图）和电流-时间（IT）曲线（右图）

 (3) 光电响应时间分析

响应时间（Response time）分为上升时间和下降时间，上升时间定义为光电流从上升沿的10%上升到90%的时间。响应时间是衡量光电探测器对光信号灵敏度的指标。

图7-5：样品1的响应时间曲线（左图）和样品2的响应时间曲线（右图）

(4) 光电响应度分析

响应度（Responsivity）是指光生电流（Ip）或光生电压（Up）与入射光功率（P）的比值，其单位为A/W（电流响应度）或者V/W（电压响应度）。响应度是衡量光电探测器对光信号的灵敏度的指标。响应度越大，说明光电探测器对光信号的变化越敏感。根据上述实验曲线绘制响应度曲线。可以看出样品1的响应读随光强增大，约1-2.5mA/W，样品2的响应度随光强增大减小，响应度在20-50mA/W。不同的功率响应说明两个器件的响应机制有所不同，有待进一步研究。但整体而言，器件2的响应性能优于样品1。

图7-6 样品1（左图）和样品2（右图）的响应度

八、实验结论

本实验通过机械剥离法实现了MoS2少层纳米片的制备，通过原子力显微镜对不同样品测定了形貌和厚度。我们发现纳米片的颜色和厚度有相关性。在此基础上，我们进一步制作MoS2光电探测器。研究发现，较薄的样品性能在响应电压、电流大小，响应时间及响应度等方面都优于较厚的样品。

实验研究显示，机械剥离、定位转移方法是制备二维材料和器件的一种简单、高效的方法，具有很强的通用性，其门槛较低。另一方面，材料和器件的制备可以进一步结合中学的物理实验教学，学习光电器件的特性。相关的学习适合在中学创新实验中进行推广应用，打通中学教学和大学科研的路径，引导研究性的学习。

致谢：

 广州市教育局“英才计划”项目组

暨南大学物理与光电工程学院

参考文献：

[1]周洋.二维材料的发展及其中原子力显微镜的应用，2024.07.22。

[2] 李景峰，黄来玉，刘世光，宁提，祁娇娇 ，王成刚. 二维材料光电探测器及光场增强的研究进展，2022.3。

[3] 潘崇佩，王苏云，刘东奇，刘智波，姚江宏，孔勇发.二维材料的剥离制备与微区光学测量，2022.3。

附pdf文件:

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