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Jun 23, 2023

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Scientific Reports volume 6, numero articolo: 20343 (2016) Cita questo articolo 10k accessi 223 citazioni Dettagli metrici La pellicola bidimensionale stratificata di disolfuro di tungsteno semiconduttore (WS2) mostra

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La pellicola bidimensionale stratificata di disolfuro di tungsteno (WS2) presenta grandi prospettive promettenti nelle applicazioni fotoelettriche grazie alla sua proprietà unica di conversione fotoelettrica. Qui, in questo articolo, riportiamo la fabbricazione semplice e scalabile di film WS2 omogenei, di grandi dimensioni e trasferibili con spessore di decine di nanometri attraverso il processo di sputtering magnetron e post ricottura. Le pellicole WS2 prodotte con bassa resistenza (4,2 kΩ) vengono utilizzate per fabbricare fotorilevatori sensibili a banda larga nella regione dall'ultravioletto al visibile. I fotorilevatori mostrano eccellenti proprietà di fotorisposta, con un'elevata reattività di 53,3 A/W e un'elevata rilevabilità di 1,22 × 1011 Jones a 365 nm. La strategia riportata apre una nuova strada verso la crescita su larga scala di film WS2 uniformi e trasferibili di alta qualità per varie importanti applicazioni tra cui fotorilevatori ad alte prestazioni, celle solari, celle fotoelettrochimiche e così via.

Il riuscito isolamento del grafene dalla grafite ha attirato molta attenzione grazie alle sue interessanti proprietà elettriche e meccaniche1,2 e al suo grande potenziale nelle applicazioni elettroniche e fotoniche avanzate3,4,5,6,7,8. Tuttavia, il gap di banda pari a zero del grafene ne limita l’applicazione nell’optoelettronica. Recentemente, l'emergere di dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD) bidimensionali (2D) simili al grafene ha risolto molto bene lo svantaggio del gap di banda zero e ha attirato un'enorme attenzione grazie alle sue proprietà semiconduttrici e al potenziale per varie applicazioni ottiche, elettriche e fotoelettriche9,10 ,11,12. WS2 e MoS2 sono i due TMD più tipici con struttura a strati costruita con unità atomiche a tre strati SW/Mo-S13,14. Rispetto al MoS2, WS2 ha una maggiore stabilità termica e un intervallo di temperatura operativa più ampio15, possedendo un bandgap controllabile che va da 1,4 a 2,1 eV a seconda della struttura dello strato corretta11,16, portando a un'ampia banda di assorbimento da UV a visibile (UV-Vis). Inoltre, è stato segnalato che WS2 ha un forte assorbimento fino al 5~10% della luce solare incidente nello spessore di ~1 nm, un ordine di grandezza superiore a GaAs e Si17, mostrando un grande potenziale per la fotocatalisi, celle solari e alta reattività Applicazioni dei fotorivelatori UV-Vis.

La preparazione del film sottile WS2 uniforme e di ampia area è il passaggio fondamentale per la fabbricazione di vari dispositivi. I film WS2 possono essere preparati tramite metodi top-down o bottom-up. Il metodo top-down attraverso l'esfoliazione meccanica o chimica dalla massa dei cristalli ha difficoltà a controllare le dimensioni e lo spessore e ad ottenere film WS2 uniformi18,19,20. Tra i metodi dal basso verso l'alto, la deposizione chimica in fase vapore (CVD) può comunemente produrre film 2D monocristallo di grandi dimensioni, come il grafene monostrato21, tuttavia per i TMD (MoS2, WS2), non ci sono segnalazioni sulla preparazione della scala di wafer film monocristallo ancora tramite metodo CVD, ad eccezione della preparazione di MoS2 triangolare e WS222,23,24 di dimensioni micrometriche. Per quanto riguarda la preparazione di film TMD policristallini, il metodo di deposizione sputtering con magnetron si è dimostrato migliore del metodo CVD per la sua semplicità, basso costo, elevata velocità di produzione e scalabilità.

In questo lavoro, è stato impiegato un metodo di sputtering magnetron facciale e scalabile per fabbricare il film policristallino WS2 trasferibile continuo di dimensioni centimetriche con uno spessore di ~ 25,2 nm, che viene poi utilizzato per produrre fotorilevatori UV-Vis ad alte prestazioni, che mostrano eccellenti proprietà di foto-risposta da dalla regione dall'ultravioletto al visibile (365–650 nm), come alta reattività (53,3 A/W), alta rilevabilità (fino a ≈1011 Jones) a 365 nm. Pertanto si prevede che queste pellicole WS2 trasferibili di alta qualità su vasta area abbiano grandi potenziali applicazioni non solo nei fotorilevatori ma anche in altri dispositivi funzionali fotoelettrici.