Članovi naše SIMAT grupe, u suradnji s kolegama iz 2D Foundry grupe iz Španjolske, s našim bivšim postdoktorantom Bornom Radatovićem kao vodećim autorom, objavili su rad u prestižnom časopisu ACS Applied Materials & Interfaces, gdje pokazuju direktnu korelaciju između primijenjenog mehaničkog naprezanja i povećanja fotoosjetljivosti, kao i demonstraciju izdržljivosti pod naprezanjem nezaštićenih uređaja na bazi MoS₂ monosloja.

Strain-enhanced large-area monolayer MoS₂ photodetectors

Borna Radatović, Onur Çakıroğlu, Valentino Jadriško, Riccardo Frisenda, Ana Senkić, Nataša Vujičić, Marko Kralj, Marin Petrović, Andres Castellanos-Gomez

ACS Appl. Materials and Interfaces 16, 12, 15596–15604 (2024)

DOI: 10.1021/acsami.4c00458

U svom istraživanju pokazali su da se MoS₂ monoslojevi velikih lateralnih dimenzija, sintetizirani metodom depozicije kemijskih para (CVD) mogu dugotrajno koristiti kao fotodetektor i senzor naprezanja u ambijentalnim uvjetima. Najbitnije, utvrdili su direktnu korelaciju između primijenjenog mehaničkog naprezanja (ε) i značajnog povećanja fotoosjetljivosti MoS₂ monosloja. Pokazali su značajno pojačanje fotoosjetljivosti putem spektroskopije fotostrujom provedene pod naprezanjem do 0,9%, što ukazuje na potencijal za poboljšanu učinkovitost MoS₂ fotodetektora. Istraženi uređaji pokazuju visok fotoodziv i produljeno vrijeme odziva (τ),  koji se oboje povećavaju s naprezanjem, što ukazuje da generacijom fotostruje dominira tzv. fotogating mehanizam. Nadalje, pokazali su trajnu funkcionalnost nezaštićenih MoS₂ monoslojeva kroz brojne cikluse naprezanja u ambijentalnim uvjetima. Ova otpornost ističe potencijal MoS₂ monosloja za daljnju funkcionalizaciju i raznolike primjene u fleksibilnoj elektronici poput plinskih ili kemijskih senzora.

Slika 1. Karakterizacija uniformnosti u kanalu uređaja. (a) Optički mikrograf monosloja MoS₂ prenesenog na PC podlogu s parom Au elektroda. Područje MoS₂ iznad elektroda označeno je crvenom isprekidanom linijom. (b) Mikro-reflektancijski spektar monosloja MoS₂ u kanalu. Lorentzijani za eksciton A i B, te kumulativna prilagodba označeni su redom crvenim, zelenim i plavim linijama. (c) PL mapa rezonancije ekscitona A u kanalu uređaja. Vrijednosti koje se uzimaju kao karakteristične energije ekscitona A za MoS₂ u kanalu kod PC-a, MoS₂ na rubu elektrode i MoS₂ na Au elektrodama označene su redom s 1, 2 i 3. (d) AFM topografija uzorka bez vidljivih pukotina u području veličine 30 μm x 30 μm. Plave strelice označavaju kontaminacije uzrokovane transferom. (e) Profil linije kanala uzet duž bijele isprekidane strelice u (d).

U prvom dijelu istraživanja, uniformnost izrađenih uređaja potvrđena je ispitivanjem morfologije i optičkih svojstava, kao što je prikazano na slici 1. Nakon početnih mjerenja, izvršena su I-V mjerenja pod ambijentalnim uvjetima s cikličkom primjenom naprezanja tijekom razdoblja od preko 72 sata, kao što je prikazano na slici 2. Konačno, provedena je spektroskopija fotostrujom kako bi se utvrdio utjecaj naprezanja na performanse uređaja, kao što je prikazano na slici 3.

Slika 2. Piezorezistivni efekt u MoS₂ monosloju. (a) I-V karakterizacija pod različitim razinama primijenjenog ε do 1%. (b) Evolucija struje naspram napona tijekom 20 ciklusa savijanja, pri čemu se svaki ciklus sastoji od 21 koraka u kojima se naprezanje povećava od 0% do 0,6% i vraća na 0%, sve u koracima od 0,06%. Primijenjeni napon prikazan je na Y-osi, broj ciklusa na X-osi, a izmjerena struja kao skala boja. Crvena/plava boja označava struju izmjerenu pod pozitivnim/negativnim naponom. Tamnije nijanse crvene i plave označavaju najveću struju (najmanji otpor, pri 0,6% primijenjenog ε), dok svjetlije odgovaraju najmanjoj struji (najveći otpor, pri 0% primijenjenog ε). (c) Otpor naspram broja ciklusa, s označenim zelenim pravokutnikom koji pokazuje prva tri ciklusa nakon kojih se prenaprezanje djelomično oslobađa. Maksimalni otpor u svakom ciklusu odgovara 0% primijenjenog ε, dok minimalni odgovara 0,6%. (d) GF_P za svaki novi poluciklus tijekom narednih 20 ciklusa savijanja.

Slika 3. Poboljšani fotoodziv MoS₂ pod naprezanjem. (a) Optička mikroskopska slika uređaja prilikom izlaganja svjetlu. (b) Fotoodziv MoS₂ pri iluminaciji svjetlom od 645 nm, s uključenim svjetlom tijekom 45 sekundi i isključenim nakon toga. Prikazana je izmjerena struja i odgovarajuće dvostruke eksponencijalne prilagodbe za 0,0%, 0,3% i 0,9% naprezanja. (c) Spektroskopija fotostrujom MoS₂ monosloja izloženog LED svjetlu različitih valnih duljina, pri 0,0%, 0,03% i 0,09% istezanja pod napetošću. (d) Spektroskopija fotostrujom MoS₂ monosloja s većom razlučivošću izloženog neprekidnom izvoru svjetlosti različitih valnih duljina, pri 0,0%, 0,3% i 0,9% naprezanja. Podaci prikazuju energetski raspon u kojem se nalaze maksimumi ekscitona B (604 nm) i A (645 nm) te prilagodba korištenjem dvije Lorentzove krivulje.