哈尔滨理工大学贺训军发表了题为“WS2/Graphene/MoS2 Sandwich van der Waals Heterojunction for Fast-Response Photodetectors”的工作于ACS Applied Materials & Interfaces期刊上。
本文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。该研究通过嵌入石墨烯层来优化界面缺陷和提高载流子传输效率，从而提高了光电探测器的响应速度。在405纳米激光器照射和0.5V偏压下，该器件的上升时间和下降时间分别为44和52微秒。此外，在2.5V偏压下，器件展现出高响应度（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）。该研究还展示了基于该异质结器件的高速传输和低比特错误率的闭环光通信系统。
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的应用引起了广泛关注。然而，大多数报道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，导致响应速度慢。为了捕捉快速变化的光信号，需要具有快速响应的光电探测器。
研究思路
通过在WS2/MoS2异质结中嵌入石墨烯层来优化界面缺陷和提高载流子传输效率，从而提高光电探测器的响应速度。石墨烯因其高载流子迁移率、平滑的表面特性被选用，以期通过改善界面质量来提高器件的光电特性和响应速度。
实验流程细节
- 首先，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
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。
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
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