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德克薩斯大學Jamie H. Warner等--使用頂部和底部接觸的橫向間隔石墨烯電極到WS2半導體單層的超薄全二維側面二極管

二維（2D）材料的超薄特性為創造比使用傳統塊狀材料薄得多的器件提供了機會。在這篇文章中，通過化學氣相沉積法生長的單層二維材料被用來制造超薄的全二維側向二極管。我們表明，將石墨烯電極置于WS₂單層的下方和上方，而不是同一側，會產生具有兩種不同肖特基勢壘高度的側向器件。由于自然的介電環境，底部的石墨烯層夾在WS₂和SiO₂襯底之間，它的摻雜水平與頂部的石墨烯層不同，后者與WS₂和空氣接觸。這兩個石墨烯電極的橫向分離導致了一個具有兩個不對稱勢壘的橫向金屬-半導體-金屬結，但卻保留了其兩層厚度的超薄形式。整流和二極管的行為可以在晶體管、光電二極管和發光器件中得到利用。我們表明，在1.37μW的激光功率和±3V的偏置電壓下，該器件表現出高達90的整流率。我們證明，背門電壓和激光照明都可以調整該器件的整流行為。此外，該器件在2.16 × 10^-5 A的平均流動電流下，可以在兩個石墨烯電極上的WS₂區域產生強烈的紅色電致發光。這項工作有助于目前對二維金屬-半導體異質結的理解，并提供了一個通過保留超薄器件概念獲得全二維肖特基二極管的想法。

圖1. GrB-WS₂-GrT結構的演示。(a) 轉移到SiO₂/Si基片上的CVD生長的石墨烯連續薄膜的光學圖像。(b) 寬度為10μm的圖案化石墨烯帶的光學圖像。(c) SiO₂/Si基底上的CVD生長的WS2連續膜的光學圖像。(d) 尺寸為40 μm × 40 μm的WS₂方形圖案的光學圖像。(e) 創建不對稱結構的制造步驟。粘合墊首先被沉積在基底上。隨后，一塊石墨烯薄膜被轉移到基底上，并被圖案化為帶狀。最后，預先圖案化的WS₂和頂部石墨烯的構件被對齊-轉移到目標位置。(f) GrB-WS₂-GrT結構的原子模型。

圖2. GrB-WS₂-GrT器件的光學表征。(a) 典型的不對稱側向裝置的SEM圖像。(b) 石墨烯電極的拉曼光譜，從(a)中的綠色十字獲得。(c) 半導電的WS₂的拉曼光譜，從(a)中的紫色交叉點獲得。(d) 從(a)中的黑色虛線框得到的PL綜合強度圖。(e) WS方塊的PL光譜：黑色為SiO₂/Si上的WS₂，紅色為WS₂與石墨烯的接觸（黃色十字）。(f) WS₂的PL光譜有兩個擬合的洛倫茲峰，代表激子發射（A）和負三子發射（A-）。

圖3. 作為晶體管的不對稱裝置的電氣特性。(a) 不對稱結構的光學圖像。(b) 在不同后門下的輸出I_ds-V_ds曲線，顯示整流行為。(c) 在(b)中不同的后門下，V_ds=±3 V時的整流率。(d) 器件的傳輸曲線，顯示出N型特性。(e) 器件的等效電路模型，它由一個肖特基二極管和一個串聯電阻組成。(f) 不對稱結構的帶狀圖。兩條石墨烯帶處于不同的電介質環境中。因此，兩個石墨烯帶的費米級是不同的，導致了不對稱的肖特基屏障。Φ_SB代表SBH。Φ_GrB（Φ_GrT）是底部（頂部）石墨烯的功函數，χ_WS2是WS₂的電子親和力。

圖4.作為光電二極管的Gr_B-WS₂-Gr_T器件的光電特性。(a) 該結構在不同激光功率下的輸出I_ds-V_ds曲線。Gr_B-WS₂-Gr_T器件顯示了整流行為。(b, c) 不對稱結構在負（b）和正（c）偏壓照明下的帶狀圖。灰色和藍色的點分別代表電子和空穴。灰色的箭頭表示電子的遷移。實線是在黑暗條件下，而虛線是在光照下。(d) (a)中3V源-漏極偏壓下反應率對激光功率的依賴性。(e) (a)中不同激光功率下V_ds = ±3 V的整流率。所有V_g為0 V。

圖5. 作為發光器件的Gr_B-WS₂-Gr_T結構的EL表征。(a) 紅色發射的光學圖像。白色方框代表石墨烯帶，而綠色方框表示WS₂方塊。(b) 器件相應的輸出I-t曲線。(c) 在相同的實驗條件下記錄的另一個裝置的EL光譜。該信號非常強，超出了捕獲范圍。因此，PL光譜被用來進行粗略的形狀擬合。(d) (a)中紅色發射的強度曲線。(e) EL發射狀態下的器件帶狀圖。灰色和藍色的點分別代表電子和空穴。灰色和藍色的箭頭表示電子和空穴的注入。在高偏壓下，電子和空穴都被注入，然后重新結合以產生發射。

圖6. 結點區域的EL發射的時間依賴性。(a-f)光學圖像顯示了EL發射的演變和(a′-f′)其相應的強度線圖。它顯示了電致發光的開始，從一個點向一個條狀增長，從一個條狀向一個點減弱，最后逐漸消失。

圖7. 各種不對稱器件中的EL信號。(a-c)在相同的實驗條件下，三個不同器件的EL的光學圖像。比例尺： 50μm。(d-f) (a-c)中黃色虛線框的放大的光學圖像。比例尺： 10μm。(g-i) (d-f)中的電致發光強度曲線。

相關研究成果由德克薩斯大學Jamie H. Warner等人2023年發表在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 WS₂ Semiconductor Monolayers。

轉自《石墨烯研究》公眾號



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