橫向搭接石墨烯、垂直堆疊的WS2/MoS2混合光電探測器具有顯著提高的性能

二維過渡金屬雙硫屬化物（TMD）是目前材料領域的一個研究熱點，有望在超薄電子和光電子工業取代傳統的半導體材料。它們同半金屬性的石墨烯、絕緣晶體（如六方氮化硼）一起，被視為基於二維van der Waals晶體來製備新一代納米電子器件的基本單元。光致激發下，type-II型TMDs異質結中具有超快的層間電荷傳輸，大概在皮秒量級，且相比於單層或雙層的TMD晶體，人工設計的TMDs異質結具有更高的光敏感性。近日，研究者基於橫向搭接石墨烯、垂直堆疊的WS2/MoS2，提出製備一個側向金屬-半導體-金屬（MSM）的異質堆疊結構。

圖1：a) Gr–WS

2/MoS2–Gr光電探測器陣列的三維視圖和側視圖；b) 製備過程示意圖；

c)本實驗設計的五種光電探測器構型示意圖；d) Gr–WS2/MoS2–Gr光電探測器陣列光鏡圖；e) 添加顏色後的d)圖虛線框中的掃描電鏡圖

具體製備工藝為：在PMMA薄膜基底上用電子束光刻和氧等離子體選擇性刻蝕來製備Au焊盤和石墨烯電極，將其轉移到已覆有TMD (A)的矽片上，最後將TMD (B)轉移到此矽片上（單層TMD時不需此步），其中TMDs和石墨烯晶體均通過CVD法製備。

圖2：五種TMD光電探測器的輸出特性：a-e) 不同光照功率下的I

ds–Vds測試；

f)在Vds= 5 V時，5種TMD光電探測器的暗電流分布

如圖2.a-e)所示不同光照功率下的Ids–Vds測試結果，除WS2/MoS2異質雙層光電探測器以外，都具有非線性的I–V曲線，表明在石墨烯和TMD之間是非理想的接觸；而光照下，WS2/MoS2異質雙層光電探測器具有近歐姆響應，甚至隨著Vds的增加可以趨於飽和。圖2.f所示，WS2/MoS2異質雙層光電探測器對應的暗電流約為10-6A，具有最低的溝道電阻。五種光電導體的品質因子如表一所示，可見WS2/MoS2異質雙層的光響應可達2340A W-1，界面光導增益高達3.7x104, 相比於單層或雙層TMDs來說，光響應提高超過一個數量級。

表一：TMD 光電導體品質因子列表

圖3：Gr–WS

2/MoS2–Gr光電探測器界面電荷傳輸和載流子遷移動力學示意圖

如圖3.a所示，由於WS2/MoS2異質結屬於type-II能帶排布，光激電子和空穴會在隔離層聚集，載流子分離形成層分離激子發生在幾個皮秒內，電子和空穴將分別留在MoS2和WS2中；圖3.b所示為施加正的背柵電勢時器件的能帶示意圖，石墨烯的功函數可以被調控，因而可以降低Gr–TMD界面的肖脫基勢壘；圖3.c所示為光激發下的器件能帶示意圖，光照射後，形成橫跨WS2和MoS2的層分離激子，抑制電子-空穴的複合並進一步解離成遊離的載流子。在外電場的作用下，電子朝著漏極運動形成光電流，而空穴會朝著接地石墨烯電極運動。在TMD雙層的捕獲態，Gr-TMD界面產生空穴富集，石墨烯電極上產生正的光柵效應並降低肖脫基勢壘，從而使得Gr-TMD肖脫基勢壘熱電子發射增強，電子從源電極到WS2/MoS2通道注入量的提高，從而促進光電探測器中電子的流通。

橫向搭接石墨烯、垂直堆疊的WS2/ MoS2混合光電探測器可以通過調控van der Waals晶體界面間電荷的傳輸，使得器件性能具有顯著的提升，這對今後優化光電探測器性能具有重要的指導意義。

參考文獻：Haijie Tan, Wenshuo Xu, Yuewen Sheng, Yingqiu Zhou, and Jamie H.Warner et al. Lateral Graphene-Contacted Vertically Stacked WS2/MoS2Hybrid Photodetectors with Large Gain. Adv. Mater. 2017, 29, 1702917.

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