對(duì)于超薄、靈敏的光電探測(cè)器來(lái)說(shuō)，一種有前途的策略是將光活性半導(dǎo)體過(guò)渡金屬二硫?qū)倩?(TMDC) 單層（如 MoS2）與高導(dǎo)電性石墨烯相結(jié)合。 這種設(shè)備通常表現(xiàn)出復(fù)雜而矛盾的光響應(yīng)，因?yàn)槿肷涔饪梢杂|發(fā)光導(dǎo)和光誘導(dǎo)分子從表面的解吸。 在這里，我們使用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積 (MOCVD) 在石墨烯上直接生長(zhǎng) MoS2，然后通過(guò)化學(xué)氣相沉積 (CVD) 將 MoS2 沉積在藍(lán)寶石晶片上，以實(shí)現(xiàn)石墨烯-MoS2 光電探測(cè)器。雙色光泵-電探針實(shí)驗(yàn)允許將光誘導(dǎo)的載流子轉(zhuǎn)移通過(guò)石墨烯-MoS2異質(zhì)界面與吸附物誘導(dǎo)的效應(yīng)分開(kāi)。 我們證明吸附物強(qiáng)烈改變了光電導(dǎo)率的大小和符號(hào)。 這歸因于在吸附物被解吸的情況下石墨烯摻雜從 p 型到 n 型的變化，而在任何一種情況下，光生電子都從 MoS2 轉(zhuǎn)移到石墨烯。 這種無(wú)損探測(cè)方法揭示了電荷載流子轉(zhuǎn)移機(jī)制和吸附物在二維 (2D) 異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器中的作用
圖 1. (a) 石墨烯-MoS
2異質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖； (b) 石墨烯-MoS
2異質(zhì)結(jié)構(gòu)的 AFM 圖； (c) MoS
2(左)和石墨烯(右)的拉曼光譜； (d) 石墨烯-MoS
2異質(zhì)結(jié)構(gòu)的消光光譜。
圖 2. (a) 叉指電極設(shè)計(jì)示意圖； (b) 在光泵-電探針測(cè)量中石墨烯-MoS
2 光電探測(cè)器的照明； (c) 在環(huán)境條件下（相對(duì)濕度：45 ± 5%，溫度：20 ± 1 °C）下 I - I0 的時(shí)間相關(guān)測(cè)量； (d) 在真空條件下。 比較了 λ
exc= 325 nm、λ
exc= 442 nm 和 λ
exc= 632 nm 的激光波長(zhǎng)。 在每種情況下，光子通量密度為 Φ
ph= 10
15(mm
2·s)
-1
圖 3. 在 (a) 環(huán)境和 (b) 真空條件下，在 λ
exc = 632 nm 處脈沖照明的石墨烯-MoS
2異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器的時(shí)間相關(guān) I - I
0 測(cè)量。 在每種情況下，都使用了 Φ
ph= 4.2 × 10
16(mm
2·s)
-1 的光子通量。 陰影區(qū)域表示照明的時(shí)間跨度。 測(cè)量前，樣品已儲(chǔ)存在 N
2 中。
圖 4. 與時(shí)間相關(guān)的 I - I0 測(cè)量結(jié)合 λ
exc= 325 nm (Φ
ph= 1.47 × 10
15(mm
2·s)
−1) 的連續(xù)波激發(fā)和 λ
exc= 632 nm (Φ
ph= 4.2 × 10
16(mm
2·s)
-1)。 在（a）環(huán)境和（b）真空條件下，描述了 I - I0 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與時(shí)間的關(guān)系。 時(shí)間 t = 0 s 標(biāo)志著紫外線照射的開(kāi)始。 在插圖中，顯示了數(shù)據(jù)集的放大部分。 在測(cè)量之前，樣品已儲(chǔ)存在 N
2 中。
圖 5. 石墨烯-MoS
2異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件中所提出的光響應(yīng)機(jī)制的示意圖。 左：高密度吸附物的情況，其中吸引電子的吸附物導(dǎo)致石墨烯中的費(fèi)米能級(jí)低于狄拉克點(diǎn)，即 p 摻雜。 右圖：低密度吸附物的情況，其中吸附物密度降低導(dǎo)致費(fèi)米能增加，即 n 摻雜石墨烯。 在任何一種情況下，在 632 nm 照射下，MoS
2 中電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生預(yù)計(jì)會(huì)導(dǎo)致石墨烯-MoS
2 界面處的電荷載流子分離，其中電子轉(zhuǎn)移到石墨烯中。
相關(guān)研究成果由杜伊斯堡-埃森大學(xué)Tilmar Kümmell等人2022年發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces (https://doi.org/10.1021/acsami.2c06047)上。原文：Role of Surface Adsorbates on the Photoresponse of (MO)CVD-Grown Graphene–MoS2 Heterostructure Photodetectors。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
