牛津大学Adv. Mater.：超高光电导增益Gr-WS2/MoS2-Gr混合型光电探测器

【引言】

二维过渡金属硫化物(TMD)是未来的超薄电子和光电子器件的优秀候选材料，因此受到了研究者的广泛关注。其中MoS₂和WS₂由于其直接带隙和高吸收系数等性质，被研究的很多。这些二维材料与半金属石墨烯和绝缘晶体六方氮化硼形成的新型异质结构形成了构建新一代的纳米电子器件基石。

理解二维材料层间的耦合动力学是设计性能更好的范德华异质结器件的关键。研究表明电荷往往在异质结层间区域拥有超快迁移速率，同时层间的载流子的寿命比层内载流子寿命多了一个数量级，长载流子寿命这意味着器件拥有巨大的光电导增益。因此，通过人为的设计TMD异质结间的层间结构可以构造出性能优异的超薄光电器件。

目前为止，报告基于TMD异质结光电器件主要是交错的金属触点垂直结构。然而由于难以对二维晶体选择性地光刻的同时做到不损伤其相邻二维晶体，以及用半金属电极整合的垂直堆叠的二维材料也是个难题，因此涉及两个或两个以上二维材料的器件研究的仍然很少。

【成果简介】

近日，牛津大学Jamie H.Warner教授在Adv. Mater. 上发表了一篇名为“Lateral Graphene-Contacted Vertically Stacked WS2/MoS2 Hybrid Photodetectors with Large Gain”的文章。该文章研究出了一种基于石墨烯与WS₂/MoS₂异质结堆叠的包含三种二维材料的光电器件，成功的克服了以上所讨论的困难。该器件的响应度比WS₂和MoS₂单层器件高出两个数量级，达到10³A W^-1，同时具有高达3×10⁴的光电导增益。

【图文简介】

图1：混合型WS₂/MoS₂光电探测器阵列原理图和制备流程

(a).Gr- WS₂/MoS₂-Gr光电探测器的三维示意图；

(b). Gr-TMD-Gr光电探测阵列的制备流程；

(c).本实验所制备的五种光电探测器的结构示意图；

(d)异质层光电探测阵列照片；

(e).异质层光电探测的局域SEM图，绿色的是WS₂，红色的是MoS₂。

图2：五种TMD光电探测器的输出特性

(a-e). 不同光功率下，(a)WS2/MoS2异质层器件、(b)MoS2双层器件、(c)WS2双层器件、(d)MoS2单层器件和(e)WS2单层器件的输出特性曲线(I_ds-V_ds)；

(f).V_ds=5V时，五种器件的暗电流分布。

图3：五种Gr-TMD-Gr光电探测器的光电特性

(a).不同光照下Gr-TMD界面的肖特基势垒计算；

(b).4.6 μW光照下，光电流与V_ds的关系曲线；

(c).光响应度与光功率密度的关系；

(d).V_ds=+1V、V_g=-30V，光照为1.7×10³mW/cm^-2条件下，WS₂/MoS₂异质层器件的瞬态光电流特性

图4：WS₂/MoS₂异质层器件的栅极依赖特性

(a).该器件的Ids-V曲线；

(b).1.7×10²mW/cm²光照下，随着栅极电压的增加，光响应度与V_ds的变化趋势。

图5：Gr-WS₂/MoS₂-Gr光电探测器的层间电荷转移和载流子输运动力学

(a).该器件的能带图；

(b).施加正栅极偏压时，能带的弯曲示意图；

(c).光照时的能带弯曲图。

【小结】

该研究提出了一种完全利用CVD法生长交叠结构的二维光电探测阵列，克服了传统光刻技术所带来的问题，成功制备了一批横向的Gr-WS₂/MoS₂-Gr(MSM)光电探测器件。该器件结构有效的利用了WS₂和MoS₂的层间电荷转移特性，光响应达到2340A W^-1，光电导增益也高达3.7×10⁴。

文献链接：Lateral Graphene-Contacted Vertically Stacked WS2/MoS2 Hybrid Photodetectors with Large Gain (Adv. Mater., 2017

DOI: 10.1002/adma.201702917)

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