牛津大學Adv. Mater.：超高光電導增益Gr-WS2/MoS2-Gr混合型光電探測器

【引言】

二維過渡金屬硫化物(TMD)是未來的超薄電子和光電子器件的優秀候選材料，因此受到了研究者的廣泛關注。其中MoS₂和WS₂由于其直接帶隙和高吸收系數等性質，被研究的很多。這些二維材料與半金屬石墨烯和絕緣晶體六方氮化硼形成的新型異質結構形成了構建新一代的納米電子器件基石。

理解二維材料層間的耦合動力學是設計性能更好的范德華異質結器件的關鍵。研究表明電荷往往在異質結層間區域擁有超快遷移速率，同時層間的載流子的壽命比層內載流子壽命多了一個數量級，長載流子壽命這意味著器件擁有巨大的光電導增益。因此，通過人為的設計TMD異質結間的層間結構可以構造出性能優異的超薄光電器件。

目前為止，報告基于TMD異質結光電器件主要是交錯的金屬觸點垂直結構。然而由于難以對二維晶體選擇性地光刻的同時做到不損傷其相鄰二維晶體，以及用半金屬電極整合的垂直堆疊的二維材料也是個難題，因此涉及兩個或兩個以上二維材料的器件研究的仍然很少。

【成果簡介】

近日，牛津大學Jamie H.Warner教授在Adv. Mater. 上發表了一篇名為“Lateral Graphene-Contacted Vertically Stacked WS2/MoS2?Hybrid Photodetectors with Large Gain”的文章。該文章研究出了一種基于石墨烯與WS₂/MoS₂異質結堆疊的包含三種二維材料的光電器件，成功的克服了以上所討論的困難。該器件的響應度比WS₂和MoS₂單層器件高出兩個數量級，達到10³A W^-1，同時具有高達3×10⁴的光電導增益。

【圖文簡介】

圖1：混合型WS₂/MoS₂光電探測器陣列原理圖和制備流程

(a).Gr- WS₂/MoS₂-Gr光電探測器的三維示意圖；

(b). Gr-TMD-Gr光電探測陣列的制備流程；

(c).本實驗所制備的五種光電探測器的結構示意圖；

(d)異質層光電探測陣列照片；

(e).異質層光電探測的局域SEM圖，綠色的是WS₂，紅色的是MoS₂。

圖2：五種TMD光電探測器的輸出特性

(a-e). 不同光功率下，(a)WS2/MoS2異質層器件、(b)MoS2雙層器件、(c)WS2雙層器件、(d)MoS2單層器件和(e)WS2單層器件的輸出特性曲線(I_ds-V_ds)；

(f).V_ds=5V時，五種器件的暗電流分布。

圖3：五種Gr-TMD-Gr光電探測器的光電特性

(a).不同光照下Gr-TMD界面的肖特基勢壘計算；

(b).4.6 μW光照下，光電流與V_ds的關系曲線；

(c).光響應度與光功率密度的關系；

(d).V_ds=+1V、V_g=-30V，光照為1.7×10³mW/cm^-2條件下，WS₂/MoS₂異質層器件的瞬態光電流特性

圖4：WS₂/MoS₂異質層器件的柵極依賴特性

(a).該器件的Ids-V曲線；

(b).1.7×10²mW/cm²光照下，隨著柵極電壓的增加，光響應度與V_ds的變化趨勢。

圖5：Gr-WS₂/MoS₂-Gr光電探測器的層間電荷轉移和載流子輸運動力學

(a).該器件的能帶圖；

(b).施加正柵極偏壓時，能帶的彎曲示意圖；

(c).光照時的能帶彎曲圖。

【小結】

該研究提出了一種完全利用CVD法生長交疊結構的二維光電探測陣列，克服了傳統光刻技術所帶來的問題，成功制備了一批橫向的Gr-WS₂/MoS₂-Gr(MSM)光電探測器件。該器件結構有效的利用了WS₂和MoS₂的層間電荷轉移特性，光響應達到2340A W^-1，光電導增益也高達3.7×10⁴。

文獻鏈接：Lateral Graphene-Contacted Vertically Stacked WS2/MoS2 Hybrid Photodetectors with Large Gain (Adv. Mater., 2017

DOI: 10.1002/adma.201702917)

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