中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
石墨烯因其高載流子遷移率和寬光譜吸收范圍而廣泛應(yīng)用于光電探測。然而，其低光吸收率導(dǎo)致的高暗電流嚴(yán)重限制了它的光電探測性能。鉬基二硫族化合物（MoX?，X = S、Se和Te）具有高的吸收系數(shù)，能夠彌補石墨烯基光電探測器中暗電流較高的劣勢，因此基于石墨烯/MoX?范德華異質(zhì)結(jié)的光電探測器能夠表現(xiàn)出優(yōu)異的光電子特性。
南京工業(yè)大學(xué)、澳大利亞昆士蘭科技大學(xué)（Queensland University of Technology）和重慶大學(xué)組成的科研團隊介紹了石墨烯/鉬基二硫族化合物范德華異質(zhì)結(jié)光電探測器的制備方法和性能增強策略，并對這類異質(zhì)結(jié)光電探測器當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)及未來的發(fā)展方向做了探討。相關(guān)研究內(nèi)容以“Advances in graphene/molybdenum dichalcogenide-based van der Waals heterostructure photodetectors”為題發(fā)表在New Carbon Materials期刊上。
工作原理
在基于二維材料的光電探測器中，從光信號到電信號的信號轉(zhuǎn)換過程可以分為3個步驟：（1）當(dāng)入射光子在光捕獲過程后被感光材料吸收時，光激發(fā)電子從光敏材料的價帶（VB）傳遞到導(dǎo)帶（CB），并在VB中留下空穴。在這一步中，具有高吸收系數(shù)和寬光譜吸收范圍的材料在提高基于二維材料的光電探測器的性能方面發(fā)揮著重要作用。（2）在外加電場或異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面形成的內(nèi)電場下，光致電子-空穴對可以分離，不同的載流子沿著導(dǎo)通路徑向相應(yīng)的電極移動。在此步驟中，材料的高載流子遷移率（μ）有助于實現(xiàn)高光電性能。（3）電荷載流子到達電極后，根據(jù)不同電極的配置，可以提取電荷載流子并傳導(dǎo)到外部電路并產(chǎn)生光電流。因此，可以看出，高性能光電探測器需要具有高μ、高吸收系數(shù)、寬光譜吸收范圍的材料。為了提高石墨烯基光電探測器的探測率（D*），將不同的光敏材料與石墨烯合成，形成二維范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)（vdWHs），相關(guān)總結(jié)如圖1所示。
圖1 基于范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)的石墨烯基二維光電探測器與不同光敏材料的探測率
范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測器中的光電流可以通過3種效應(yīng)產(chǎn)生，即光電導(dǎo)效應(yīng)、光熱電效應(yīng)和光伏效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng)，又稱光電效應(yīng)和光敏效應(yīng)，是光引起半導(dǎo)體材料電導(dǎo)變化的現(xiàn)象，如圖2a所示。光伏效應(yīng)是指光在不均勻的半導(dǎo)體之間或半導(dǎo)體與金屬的不同部分之間引起電位差的現(xiàn)象，如圖2b所示。光熱電效應(yīng)是一種新的光電響應(yīng)機制，其中光激發(fā)材料中產(chǎn)生的熱載流子濃度和溫度梯度可以驅(qū)動載流子運動形成光電流，如圖2c所示。
圖2 石墨烯/二鹵化鉬（MoX?、X=S、Se和Te）界面的（a）光電效應(yīng)、（b）光伏效應(yīng)和（c）光熱電效應(yīng)的能帶示意圖
高性能光電探測器需要高響應(yīng)效率（R）、快速響應(yīng)速度和高響應(yīng)靈敏度。
光電探測器結(jié)構(gòu)
圖3顯示了橫向和垂直石墨烯/MoX?范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中包括襯底（Si和額外的非晶SiO?層）、半導(dǎo)體薄膜（石墨烯）、光吸收層（MoX?）和柵極/源極/漏極。在石墨烯/MoX?范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測器中，非晶SiO?層有利于石墨烯層的沉積，有助于良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。石墨烯的高μ使其成為半導(dǎo)體薄膜的良好候選者。
圖3 橫向和垂直石墨烯/二鹵化鉬（MoX，X?=S，Se和Te）范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測器的結(jié)構(gòu)示意圖
石墨烯/MoX?范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備方法
石墨烯/MoX?范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以通過濕轉(zhuǎn)印、干轉(zhuǎn)印、噴墨打印和連續(xù)沉積成功制備（如圖4）。濕轉(zhuǎn)印過程示意圖如圖4a所示；干式轉(zhuǎn)印方法依靠粘性聚合物將任意二維材料轉(zhuǎn)移到另一種二維材料的表面（如圖4b）。除了濕式和干式轉(zhuǎn)印方法外，噴墨打印還可以通過直接逐層打印材料來制造石墨烯/MoX?范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)（如圖4c）；連續(xù)沉積是將沉積循環(huán)兩次以制備異質(zhì)結(jié)構(gòu)（圖4d）。
圖4 石墨烯/二鹵化鉬（MoX，X?=S，Se和Te）范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備方法
性能工程策略
界面清理
異質(zhì)結(jié)構(gòu)中干凈的界面可以減少電荷阱的數(shù)量，有助于光生載流子的有效轉(zhuǎn)移，增強光電流，從而提高光電探測器的R。簡易的濕轉(zhuǎn)移方法被廣泛用于石墨烯/MoX?范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備，這不可避免地會在石墨烯/MoX?的界面處產(chǎn)生污染。
阻斷層間耦合
在光生電子-空穴對的分離過程中，光生空穴很容易被石墨烯和MoX?堆疊過程中形成的層間耦合所消耗。以石墨烯/MoS?范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測器為例，阻斷層間耦合可以避免光生空穴擴散到石墨烯中的消耗，有效加速載流子遷移，增強石墨烯/MoX?范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光電流。
內(nèi)部電場建設(shè)
內(nèi)部電場可以通過石墨烯通道驅(qū)動MoX?中的光生電子-空穴對，提高μ值并增強光電探測器的光電流。
肖特基屏障去除
由于石墨烯（4.3 eV）的功函數(shù)接近MoS?（4.2 eV）的電子親和力，因此在石墨烯/MoX?范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)的石墨烯/MoX?界面上存在肖特基勢壘。雖然在上述光熱電效應(yīng)中，石墨烯與MoX?接觸時存在的肖特基勢壘不會對熱電子的發(fā)射造成障礙，但肖特基勢壘會阻止光電導(dǎo)和光伏器件中光生載流子的遷移。因此，降低肖特基勢壘可以使更多的光生空穴從MoX?傳輸?shù)绞?，并產(chǎn)生更高的光電流。
結(jié)論與展望
石墨烯/MoX?范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測器同時具有高μ、寬光譜吸收范圍和高電極接觸質(zhì)量等特點，在現(xiàn)代電子學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文對石墨烯/MoX?范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測器進行了綜述。隨著光電探測器的顯著發(fā)展，包括制備方法和性能增強策略，石墨烯/MoS?/WS?范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測器的R已接近6.6×101? mA/W。然而，一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)仍有待進一步克服：（1）從性能上看，接近高響應(yīng)效率、高響應(yīng)靈敏度、快速響應(yīng)速度以滿足不同應(yīng)用的需求具有重要意義；（2）高質(zhì)量的石墨烯是高靈敏度光電探測器的基礎(chǔ)；（3）保持范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面清潔對于提高光電探測器的性能是必要的；（4）二維材料容易吸附空氣中的水和氧分子，特別是硒和鉬的化合物，從而降低光電探測器的性能，例如降低其響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。
