​德克萨斯大学Jamie H. Warner等–使用顶部和底部接触的横向间隔石墨烯电极到WS2半导体单层的超薄全二维侧面二极管

二维（2D）材料的超薄特性为创造比使用传统块状材料薄得多的器件提供了机会。在这篇文章中，通过化学气相沉积法生长的单层二维材料被用来制造超薄的全二维侧向二极管。我们表明，将石墨烯电极置于WS₂单层的下方和上方，而不是同一侧，会产生具有两种不同肖特基势垒高度的侧向器件。由于自然的介电环境，底部的石墨烯层夹在WS₂和SiO₂衬底之间，它的掺杂水平与顶部的石墨烯层不同，后者与WS₂和空气接触。这两个石墨烯电极的横向分离导致了一个具有两个不对称势垒的横向金属-半导体-金属结，但却保留了其两层厚度的超薄形式。整流和二极管的行为可以在晶体管、光电二极管和发光器件中得到利用。我们表明，在1.37μW的激光功率和±3V的偏置电压下，该器件表现出高达90的整流率。我们证明，背门电压和激光照明都可以调整该器件的整流行为。此外，该器件在2.16 × 10^-5 A的平均流动电流下，可以在两个石墨烯电极上的WS₂区域产生强烈的红色电致发光。这项工作有助于目前对二维金属-半导体异质结的理解，并提供了一个通过保留超薄器件概念获得全二维肖特基二极管的想法。

图1. GrB-WS₂-GrT结构的演示。(a) 转移到SiO₂/Si基片上的CVD生长的石墨烯连续薄膜的光学图像。(b) 宽度为10μm的图案化石墨烯带的光学图像。(c) SiO₂/Si基底上的CVD生长的WS2连续膜的光学图像。(d) 尺寸为40 μm × 40 μm的WS₂方形图案的光学图像。(e) 创建不对称结构的制造步骤。粘合垫首先被沉积在基底上。随后，一块石墨烯薄膜被转移到基底上，并被图案化为带状。最后，预先图案化的WS₂和顶部石墨烯的构件被对齐-转移到目标位置。(f) GrB-WS₂-GrT结构的原子模型。

图2. GrB-WS₂-GrT器件的光学表征。(a) 典型的不对称侧向装置的SEM图像。(b) 石墨烯电极的拉曼光谱，从(a)中的绿色十字获得。(c) 半导电的WS₂的拉曼光谱，从(a)中的紫色交叉点获得。(d) 从(a)中的黑色虚线框得到的PL综合强度图。(e) WS方块的PL光谱：黑色为SiO₂/Si上的WS₂，红色为WS₂与石墨烯的接触（黄色十字）。(f) WS₂的PL光谱有两个拟合的洛伦兹峰，代表激子发射（A）和负三子发射（A-）。

图3. 作为晶体管的不对称装置的电气特性。(a) 不对称结构的光学图像。(b) 在不同后门下的输出I_ds-V_ds曲线，显示整流行为。(c) 在(b)中不同的后门下，V_ds=±3 V时的整流率。(d) 器件的传输曲线，显示出N型特性。(e) 器件的等效电路模型，它由一个肖特基二极管和一个串联电阻组成。(f) 不对称结构的带状图。两条石墨烯带处于不同的电介质环境中。因此，两个石墨烯带的费米级是不同的，导致了不对称的肖特基屏障。Φ_SB代表SBH。Φ_GrB（Φ_GrT）是底部（顶部）石墨烯的功函数，χ_WS2是WS₂的电子亲和力。

图4.作为光电二极管的Gr_B-WS₂-Gr_T器件的光电特性。(a) 该结构在不同激光功率下的输出I_ds-V_ds曲线。Gr_B-WS₂-Gr_T器件显示了整流行为。(b, c) 不对称结构在负（b）和正（c）偏压照明下的带状图。灰色和蓝色的点分别代表电子和空穴。灰色的箭头表示电子的迁移。实线是在黑暗条件下，而虚线是在光照下。(d) (a)中3V源-漏极偏压下反应率对激光功率的依赖性。(e) (a)中不同激光功率下V_ds = ±3 V的整流率。所有V_g为0 V。

图5. 作为发光器件的Gr_B-WS₂-Gr_T结构的EL表征。(a) 红色发射的光学图像。白色方框代表石墨烯带，而绿色方框表示WS₂方块。(b) 器件相应的输出I-t曲线。(c) 在相同的实验条件下记录的另一个装置的EL光谱。该信号非常强，超出了捕获范围。因此，PL光谱被用来进行粗略的形状拟合。(d) (a)中红色发射的强度曲线。(e) EL发射状态下的器件带状图。灰色和蓝色的点分别代表电子和空穴。灰色和蓝色的箭头表示电子和空穴的注入。在高偏压下，电子和空穴都被注入，然后重新结合以产生发射。

图6. 结点区域的EL发射的时间依赖性。(a-f)光学图像显示了EL发射的演变和(a′-f′)其相应的强度线图。它显示了电致发光的开始，从一个点向一个条状增长，从一个条状向一个点减弱，最后逐渐消失。

图7. 各种不对称器件中的EL信号。(a-c)在相同的实验条件下，三个不同器件的EL的光学图像。比例尺：50μm。(d-f) (a-c)中黄色虚线框的放大的光学图像。比例尺：10μm。(g-i) (d-f)中的电致发光强度曲线。

相关研究成果由德克萨斯大学Jamie H. Warner等人2023年发表在ACS Applied Materials & Interfaces (https://doi.org/10.1021/acsami.2c22014)上。原文：Ultrathin All-2D Lateral Diodes Using Top and Bottom Contacted Laterally Spaced Graphene Electrodes to WS₂Semiconductor Monolayers。