倫敦學院大學劉會赟-巫江研究團隊和蘇州大學鄒貴付研究團隊合作開發的高性能二硫化鉬/玻璃-石墨烯堆疊異質結光電探測器

【引言】

?自從2004年石墨烯問世以來，其優異的光電性能受到研究者的廣泛關注。由此而帶動了一系列的二維材料（黑磷、氮化硼和過渡金屬硫化物等）的發展。但是大部分二維材料在應用時都面臨著一些問題，如石墨烯的零帶隙限制了其在光電領域的應用；單元素二維材料的不穩定性限制其應用；盡管過渡金屬硫化物具有直接帶隙但是其低遷移率仍然限制了其應用。

? 2016年蘇州大學鄒貴付教授研究團隊開發了一種大尺寸、超平整、導電的玻璃石墨烯薄膜（Science Advances, 2016,2 e1601574）。事實上，與單晶石墨烯和非晶玻璃碳不同，玻璃-石墨烯薄膜是一種表面平整的獨特二維碳納米片，它具有高透明性、高傳導性、柔性和穩定性好等優勢。因此，這種新的玻璃-石墨烯薄膜為原始石墨烯在許多應用領域注入了新的血液。然而，該種新型的玻璃-石墨烯薄膜與其他二維材料的異質結特性的研究仍然知之甚少。

【成果簡介】

近期，倫敦學院大學劉會赟-巫江研究團隊和蘇州大學鄒貴付研究團隊合作在Adv. Mater.上發表了一篇題為“High Detectivity and Transparent Few-Layer?MoS₂/Glassy-Graphene Heterostructure Photodetectors”的文章。該研究就是將新型的玻璃石墨烯與二硫化鉬結合形成異質結，首次報道了透明的玻璃石墨烯與二硫化鉬光電探測器件。在532 nm光照射下，該器件的響應度高達12.3 mA W^-1，探測率1.8×10¹⁰瓊斯。

【成果簡介】

圖1：MoS₂/G-Graphene(MGHs)異質結光電器件的制備過程及其器件示意圖

(a). 少層MoS₂/G-Graphene異質結光電器件的制備過程；

(b-c). 少層MoS₂/G-Graphene異質結光電器件的實物圖和示意圖。

圖2：MoS₂/G-Graphene(MGHs)異質結的材料表征

(a-b). MoS₂和G-Graphene的高分辨率透射電鏡圖；

(c). 顯微鏡下MoS₂/G-Graphene異質結的光學圖片；

(d). MoS₂/G-Graphene異質結的AFM圖；

(e). MoS₂和G-Graphene的拉曼光譜。

圖3：不同光照條件下光電探測器的光響應性能表征

(a-b). 在AM 1.5G照射下，3層和9層MoS₂對應的MGHs光電探測器的I-V曲線；

(c-d). 3層和9層MoS₂對應的MGHs光電探測器分別在405、532和656 nm的單色光照射的I-V曲線；?

圖4：石墨烯的缺陷態

(a-d). 原始石墨烯(a)，擁有1級、2級、最大SW缺陷態G-石墨烯的晶格陣列；

(e-h). a-d對應的缺陷態密度。

圖5：石墨烯的能帶結構，與MoS₂/graphene異質結的能帶圖

(a-c). 原始石墨烯(a)，擁有1級、2級SW缺陷態G-石墨烯的能帶結構；

(d). MoS₂/graphene異質結的頂視圖；

(e). MoS₂/graphene-(2)異質結在外部電場下的功函數和費米能級；

(f). MoS₂/graphene異質結的能帶圖

圖6：MoS₂/graphene異質結電荷勢差異

(a-b). MoS₂/graphene 和MoS₂/graphene-(2)異質結的電荷勢差異頂視圖；

(c-d). MoS₂/graphene 和MoS₂/graphene-(2)異質結的電荷勢差異側視圖。

圖7：不同光照條件下光探測器的光響應和時間分辨光響應

(a-b). 3層(a)和9層(b)MoS₂對應的MGHs光電探測器分別在405、532和656 nm的單色光照射的光響應特性；

(c-d). 3層(c)和9層(d)MoS₂對應的MGHs光電探測器分別在405、532和656 nm的瞬態光響應曲線；

(e).1 V偏壓，656nm 光照下，3層和9層MoS₂對應的MGHs光電探測器的光電流隨光強的變化曲線。

【小結】

該研究首次構建了較高探測率的MoS₂/G-grahene (MGHs)異質結光電探測器。該研究利用MoS₂與石墨烯的歐姆接觸代替了傳統的二維材料與金屬結合的肖特基接觸，顯著的提升了器件的電荷轉移特性，其中擁有三層MoS₂的光電器件其響應度達到12.3 mA W^-1,探測率達到1.8×10¹⁰。

文獻鏈接：High Detectivity and Transparent Few-Layer MoS₂/Glassy-Graphene Heterostructure Photodetectors (Adv. Mater. 2017, DOI: 10.1002/adma.201706561)

本文由材料人編輯部新能源學術組金也供稿，材料牛編輯整理。

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