Ultrasensitive, Ultrafast, and Gate-Tunable Two-Dimensional Photodetectors in Ternary Rhombohedral ZnIn2S4 for Optical Neural Networks

材料科学 光电子学 光电探测器 光电流 光电导性 超短脉冲 光电二极管 暗电流 三元运算 半导体 光功率 光学 激光器 计算机科学 物理 程序设计语言
作者
Weili Zhen,Xi Zhou,Shirui Weng,Wenka Zhu,Changjin Zhang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (10): 12571-12582 被引量:26
标识
DOI:10.1021/acsami.2c00063
摘要

The demand for high-performance semiconductors in electronics and optoelectronics has prompted the expansion of low-dimensional materials research to ternary compounds. However, photodetectors based on 2D ternary materials usually suffer from large dark currents and slow response, which means increased power consumption and reduced performance. Here we report a systematic study of the optoelectronic properties of well-characterized rhombohedral ZnIn2S4 (R-ZIS) nanosheets which exhibit an extremely low dark current (7 pA at 5 V bias). The superior performance represented by a series of parameters surpasses most 2D counterparts. The ultrahigh specific detectivity (1.8 × 1014 Jones), comparably short response time (τrise = 222 μs, τdecay = 158 μs), and compatibility with high-frequency operation (1000 Hz) are particularly prominent. Moreover, a gate-tunable characteristic is observed, which is attributed to photogating and improves the photoresponse by 2 orders of magnitude. Gating technique can effectively modulate the photocurrent-generation mechanism from photoconductive effect to dominant photogating. The combination of ultrahigh sensitivity, ultrafast response, and high gate tunability makes the R-ZIS phototransistor an ideal device for low-energy-consumption and high-frequency optoelectronic applications, which is further demonstrated by its excellent performance in optical neural networks and promising potential in optical deep learning and computing.
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