WS2/石墨烯/MoS2三明治范德华异质结用于快速响应光电探测器
WS2/石墨烯/MoS2三明治范德华异质结用于快速响应光电探测器
哈尔滨理工大学贺训军团队在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上发表了一篇题为“WS2/Graphene/MoS2 Sandwich van der Waals Heterojunction for Fast-Response Photodetectors”的研究论文。该研究报道了一种通过机械剥离和干转移方法制备的WS2/石墨烯/MoS2垂直范德华异质结，用于实现快速响应的光电探测器。通过在WS2/MoS2异质结中嵌入石墨烯层，研究团队优化了界面缺陷并提高了载流子传输效率，从而显著提升了光电探测器的响应速度。
研究背景
快速响应光电探测器在高速通信、实时监控和光学成像系统中具有重要应用价值。然而，传统的光电探测器由于材料固有属性、载流子传输效率低和界面不匹配等问题，普遍存在响应速度慢的缺陷。为了捕捉快速变化的光信号，开发具有快速响应特性的光电探测器成为研究热点。
研究思路
研究团队采用在WS2/MoS2异质结中嵌入石墨烯层的方法，以优化界面缺陷并提高载流子传输效率。石墨烯因其高载流子迁移率和平滑的表面特性，被选为理想的界面优化材料。通过改善界面质量，研究团队期望显著提升器件的光电特性和响应速度。
实验流程细节
- 在Si/SiO2衬底上通过磁控溅射沉积10nm/70nm的Cr/Au薄膜作为电极。
- 通过机械剥离获得MoS2、石墨烯和WS2纳米片。
- 按照由下至上的顺序，将上述三个纳米片垂直堆叠构建WS2/石墨烯/MoS2异质结。
- 使用聚乙烯醇丁醛（PVB）薄膜和聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜作为中间转移层和热释放层，通过干转移技术将纳米片转移到衬底上。
- 对制备的异质结进行拉曼光谱、原子力显微镜（AFM）和光致发光（PL）方法的表征。
- 在405、520和660纳米激光器照射下，测量基于WS2/石墨烯/MoS2异质结的光电探测器的光电性能。
创新点
- 界面缺陷优化与载流子传输效率提升：在405纳米激光器照射和0.5V偏压下，该器件的上升时间为44微秒，下降时间为52微秒，相较于没有石墨烯层的WS2/MoS2异质结器件，响应速度有了显著提升。
- 快速响应性能：在2.5V偏压下，该WS2/石墨烯/MoS2异质结光电探测器展现出了快速响应性能，包括高响应度（220 A/W）、高探测度（1.2×10^13 Jones）、大外部量子效率（6.7×10^4 %）和低暗电流（1.05×10^-13 A）。
- 优异的光电性能：在405纳米激光器照射下，该器件的最大光电流（Iph）达到3.3×10^-6 A，响应度（R）为220 A/W，外部量子效率（EQE）为6.7×10^4 %，探测度（D*）为1.2×10^13 Jones。
- 光通信应用潜力：通过构建闭环光通信实验系统，展示了基于WS2/石墨烯/MoS2异质结光电探测器的高速传输和低比特错误率。除了由于快速响应特性导致的微小延迟外，原始信号被完美再现，证明了该器件在光通信中的高速传输和低比特错误率的应用潜力。
结论
通过机械剥离和干转移技术制备的WS2/石墨烯/MoS2范德华异质结光电探测器，由于石墨烯层的嵌入，有效地优化了界面缺陷和提高了载流子传输效率，实现了快速响应和优异的光电性能。该研究不仅为设计快速响应和高性能光电探测器提供了新的思路，而且为高速光通信、实时环境监测和安全监测等潜在应用开辟了新的道路。
图文说明
图1：WS2/石墨烯/MoS2异质结器件的制备流程。
图2：(a) WS2/石墨烯/MoS2异质结器件的原理图和(b)光学显微镜图像。(c) 单个材料和WS2/石墨烯/MoS2异质结的光致发光（PL）强度。(d) WS2/石墨烯/MoS2异质结的拉曼光谱。(e) WS2/石墨烯/MoS2异质结器件的原子力显微镜（AFM）图像。(f-i) 分别为电极、石墨烯、MoS2和WS2的厚度曲线。
图3：(a) 异质结在不同光功率白光照射下的IV特性。(b) 器件在不同栅极电压和光照射下的输出特性曲线。(c-f) 在405、520和660纳米光照射下，光电流、响应度（R）、外部量子效率（EQE）和探测度（D）对功率密度的响应。(g) WS2/石墨烯/MoS2异质结器件的开关响应和(h) 时间光响应曲线。*
图4：WS2/石墨烯/MoS2异质结在(a)正向偏压、(b)反向偏压、(c)隔离状态和(d)热平衡状态下的能带图。
图5：(a) 基于WS2/石墨烯/MoS2器件的光信息传输系统和(b)原始信号与输出信号的比较结果。
参考文献
Zhang Y. and He X. WS2/Graphene/MoS2 Sandwich van der Waals Heterojunction for Fast-Response Photodetectors. ACS Appl. Mater. Interfaces 2024.
doi: 10.1021/acsami.4c13818
来源：FE图南工作室