【引言】

基于石墨烯和其他二維（2D）材料的光電探測(cè)器通常在光電導(dǎo)模式或光電二極管模式下工作。受益于石墨烯（graphene）通道的超高增益，其光電導(dǎo)器件通常具有極高的光響應(yīng)度，但也因此伴隨著暗電流大，功耗高和低頻噪聲偏大等問題。另一方面基于二維材料的光電二極管，其范德華異質(zhì)結(jié)不僅可以有效地抑制暗電流，同時(shí)也是潛在的自供電高性能光電探測(cè)器。然而，石墨烯與其他二維材料構(gòu)建的異質(zhì)結(jié)由于其界面處光生載流子的復(fù)合作用，其在零偏壓下光伏效應(yīng)往往受到明顯抑制，從而影響其光電性能。因此，通過器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如何提升該異質(zhì)結(jié)在零偏壓下的光伏電流具有非常重要的研究意義。

【成果簡(jiǎn)介】

近日，香港中文大學(xué)許建斌教授課題組和韓國(guó)東國(guó)大學(xué)和成均館大學(xué)的合作者在Nano Energy上發(fā)表題為Restoring the Photovoltaic Effect in Graphene-based van der Waals Heterojunctions towards Self-Powered High-Detectivity Photodetectors的文章。該研究發(fā)現(xiàn)二硫化鉬（MoS₂）/Graphene光電二極管中零偏壓光電流的損失源于界面處光生載流子的層間耦合。通過將原子級(jí)薄的六方氮化硼（h-BN）膜引入二硫化鉬/石墨烯界面，零偏壓下MoS₂/Graphene界面處的層間載流子復(fù)合可以被有效阻擋，而光生空穴則通過量子隧穿實(shí)現(xiàn)層間傳輸。此方法可使多層MoS₂/Graphene異質(zhì)結(jié)的短路光電流增加超過三個(gè)數(shù)量級(jí)。基于該機(jī)制構(gòu)建的多層MoS₂/h-BN/Graphene光電探測(cè)器在零偏壓下具有很高的光電轉(zhuǎn)換效率（外量子效率超過80％），較高的明暗電流比（超過1000）和較高的探測(cè)度（基于白噪聲的理論特定探測(cè)度為5.9 × 10¹⁴瓊斯， 實(shí)際環(huán)境中測(cè)量的特定探測(cè)度為6.7 × 10¹⁰瓊斯） 。此類通過界面修飾提高光伏效應(yīng)的方法為基于石墨烯的自供電光電探測(cè)的應(yīng)用提供了新的器件設(shè)計(jì)方案。

【圖文簡(jiǎn)介】

圖1 MoS ₂/ h-BN/Graphene器件的制備過程及拉曼光譜表征

（a）MoS₂/h-BN/Graphene異質(zhì)結(jié)器件的制備過程

（b）MoS₂/h-BN/Graphene異質(zhì)結(jié)器件示意圖

（c）Graphene和h-bn/Graphene異質(zhì)結(jié)的拉曼特征光譜

圖2 MoS ₂/ h-BN/graphene器件與MoS ₂/graphene光電二極管的性能對(duì)比與能帶分析

（a，b）MoS₂ /graphene光電二極管和MoS₂/h-BN/graphene器件在黑暗和光照下的I_DS-V_DS傳輸曲線的對(duì)數(shù)圖（插圖顯示相應(yīng)的線性圖。入射光能量均為2.32μW，波長(zhǎng)為532nm）。

（c，d）零偏壓下MoS₂/graphene光電二極管和MoS₂ /h-BN/graphene器件在黑暗和光照下的能帶示意圖

（e，f）負(fù)偏壓下MoS₂ /graphene光電二極管和MoS₂/h-BN/graphene器件在黑暗和光照下的能帶示意圖

分別表示載流子漂移，層間耦合和載流子隧穿

圖3 用熒光光譜證明界面處的層間耦合及 h-BN插層對(duì)該層間耦合的阻擋效應(yīng)

單層MoS₂，單層MoS2/h-BN/graphene三層結(jié)構(gòu)和單層MoS₂/graphene異質(zhì)結(jié)的光致發(fā)光光譜的對(duì)比。

圖4 對(duì)零偏壓附近光生空穴主宰的隧穿光電流的電學(xué)表征

（a）黑暗條件下MoS₂/h-BN/graphene器件在不同柵極電壓（V_g）下的差分電阻

（b）光照條件下MoS₂/h-BN/graphene器件在不同柵極電壓（V_g）下的差分電阻（入射光功率：32μW，波長(zhǎng)：532nm）

（c）Vg = -60V時(shí)的凈光電流。

（d）柵極電壓為零時(shí)器件的光響應(yīng)度與偏置電壓的關(guān)系。

圖5 MoS ₂/ h-BN/graphene隧穿光電二極管的探測(cè)靈敏度及 噪聲分析

（a）MoS₂/h-BN/graphene隧穿光電二極管在零偏壓和負(fù)一伏偏壓時(shí)的電流噪聲密度譜, 紫色實(shí)線是對(duì)1 / f噪聲趨勢(shì)的參考.

（b）負(fù)電壓偏置下測(cè)得的噪聲等效功率（NEP）和的特定探測(cè)度。

【小結(jié)】

綜上所述，作者發(fā)現(xiàn)MoS₂/graphene光電二極管中的零偏置光電流的損失源于界面處光生載流子的層間耦合，而單層h-BN的插入可以有效地阻擋層間耦合并因此恢復(fù)其光伏效應(yīng)。基于多層MoS₂/h-BN/graphene范德華異質(zhì)結(jié)的自供電隧穿光電二極管在532nm照射下，展現(xiàn)出較高的光響應(yīng)及特定探測(cè)度。該工作為制造基于石墨烯的高性能2D自供電光電探測(cè)器提供了新的途徑。

文章鏈接：Restoring the Photovoltaic Effect in Graphene-based van der Waals Heterojunctions towards Self-Powered High-Detectivity Photodetectors 

(Nano Energy 2019 https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.12.004. )