港中文許建斌小組Nano?Energy：界面工程增強石墨烯基范德華異質結光伏效應

Alisa 5年前 (2019-01-01) 4280瀏覽

【引言】

基于石墨烯和其他二維（2D）材料的光電探測器通常在光電導模式或光電二極管模式下工作。受益于石墨烯（graphene）通道的超高增益，其光電導器件通常具有極高的光響應度，但也因此伴隨著暗電流大，功耗高和低頻噪聲偏大等問題。另一方面基于二維材料的光電二極管，其范德華異質結不僅可以有效地抑制暗電流，同時也是潛在的自供電高性能光電探測器。然而，石墨烯與其他二維材料構建的異質結由于其界面處光生載流子的復合作用，其在零偏壓下光伏效應往往受到明顯抑制，從而影響其光電性能。因此，通過器件結構設計，如何提升該異質結在零偏壓下的光伏電流具有非常重要的研究意義。

【成果簡介】

近日，香港中文大學許建斌教授課題組和韓國東國大學和成均館大學的合作者在Nano?Energy上發表題為Restoring the Photovoltaic Effect in Graphene-based van der Waals Heterojunctions towards Self-Powered High-Detectivity Photodetectors的文章。該研究發現二硫化鉬（MoS2）/Graphene光電二極管中零偏壓光電流的損失源于界面處光生載流子的層間耦合。通過將原子級薄的六方氮化硼（h-BN）膜引入二硫化鉬/石墨烯界面，零偏壓下MoS2/Graphene界面處的層間載流子復合可以被有效阻擋，而光生空穴則通過量子隧穿實現層間傳輸。此方法可使多層MoS2/Graphene異質結的短路光電流增加超過三個數量級。基于該機制構建的多層MoS2/h-BN/Graphene光電探測器在零偏壓下具有很高的光電轉換效率（外量子效率超過80％），較高的明暗電流比（超過1000）和較高的探測度（基于白噪聲的理論特定探測度為5.9?×?1014瓊斯，?實際環境中測量的特定探測度為6.7?× 1010瓊斯） 。此類通過界面修飾提高光伏效應的方法為基于石墨烯的自供電光電探測的應用提供了新的器件設計方案。

【圖文簡介】

圖1?MoS2/h-BN/Graphene器件的制備過程及拉曼光譜表征

（a）MoS2/h-BN/Graphene異質結器件的制備過程

（b）MoS2/h-BN/Graphene異質結器件示意圖

（c）Graphene和h-bn/Graphene異質結的拉曼特征光譜

圖2 MoS2/h-BN/graphene器件與MoS2/graphene光電二極管的性能對比與能帶分析

（a，b）MoS2?/graphene光電二極管和MoS2/h-BN/graphene器件在黑暗和光照下的IDS-VDS傳輸曲線的對數圖（插圖顯示相應的線性圖。入射光能量均為2.32μW，波長為532nm）。

（c，d）零偏壓下MoS2/graphene光電二極管和MoS2?/h-BN/graphene器件在黑暗和光照下的能帶示意圖

（e，f）負偏壓下MoS2?/graphene光電二極管和MoS2/h-BN/graphene器件在黑暗和光照下的能帶示意圖

分別表示載流子漂移，層間耦合和載流子隧穿

圖3 用熒光光譜證明界面處的層間耦合及h-BN插層對該層間耦合的阻擋效應

單層MoS2，單層MoS2/h-BN/graphene三層結構和單層MoS2/graphene異質結的光致發光光譜的對比。

圖4 對零偏壓附近光生空穴主宰的隧穿光電流的電學表征

（a）黑暗條件下MoS2/h-BN/graphene器件在不同柵極電壓（Vg）下的差分電阻

（b）光照條件下MoS2/h-BN/graphene器件在不同柵極電壓（Vg）下的差分電阻（入射光功率：32μW，波長：532nm）

（c）Vg = -60V時的凈光電流。

（d）柵極電壓為零時器件的光響應度與偏置電壓的關系。

圖5 MoS2/h-BN/graphene隧穿光電二極管的探測靈敏度及噪聲分析

（a）MoS2/h-BN/graphene隧穿光電二極管在零偏壓和負一伏偏壓時的電流噪聲密度譜, 紫色實線是對1 / f噪聲趨勢的參考.

（b）負電壓偏置下測得的噪聲等效功率（NEP）和的特定探測度。

【小結】

綜上所述，作者發現MoS2/graphene光電二極管中的零偏置光電流的損失源于界面處光生載流子的層間耦合，而單層h-BN的插入可以有效地阻擋層間耦合并因此恢復其光伏效應。基于多層MoS2/h-BN/graphene范德華異質結的自供電隧穿光電二極管在532nm照射下，展現出較高的光響應及特定探測度。該工作為制造基于石墨烯的高性能2D自供電光電探測器提供了新的途徑。

文章鏈接：Restoring the Photovoltaic Effect in Graphene-based van der Waals Heterojunctions towards Self-Powered High-Detectivity Photodetectors?(Nano?Energy?2019 https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.12.004.?)

本文由材料人香港中文大學許建斌教授課題組供稿，編輯部編輯。

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