Os fotodetectores baseados em heterojunções de monocamada lateral MoS2 / WS2
Resumo
Os dichalcogenetos de metais de transição de monocamada (TMDs) mostram um potencial promissor para a optoeletrônica de próxima geração devido às excelentes capacidades de captura de luz e fotodetecção. Fotodetectores, como componentes importantes dos sistemas de detecção, imagem e comunicação, são capazes de perceber e converter sinais ópticos em sinais elétricos. Aqui, a monocamada lateral de grande área e alta qualidade MoS 2 / WS 2 heterojunções foram sintetizadas através da abordagem de deposição química de vapor em fase líquida de uma etapa. Medições de caracterização sistemática verificaram boa uniformidade e interfaces nítidas dos materiais do canal. Como resultado, os fotodetectores aprimorados pelo efeito de fotografia podem oferecer desempenho competitivo, incluindo responsividade de ~ 567,6 A / W e detectividade de ~ 7,17 × 10 11 Jones. Além disso, o ruído 1 / f obtido a partir do espectro de potência da corrente não é condutivo ao desenvolvimento de fotodetectores, o qual é considerado proveniente do aprisionamento / destrapping do portador de carga. Portanto, este trabalho pode contribuir para dispositivos optoeletrônicos eficientes baseados em heteroestruturas de DTM de monocamada lateral.
Introdução
Considerando o mercado de chips semicondutores de quase meio trilhão de dólares, os materiais bidimensionais (2D) são atualmente um dos candidatos mais viáveis e promissores para estender a lei de Moore [1,2,3,4,5]. Como um membro representativo da família 2D, os dichalcogenetos de metais de transição (TMDs) têm sido intensamente estudados devido às suas propriedades optoeletrônicas distintas e aplicações potenciais [6,7,8,9,10,11,12] em fotodetecção e dispositivos emissores de luz [13, 14]. Notavelmente, o bandgap sintonizável, alta mobilidade da portadora, alta absorção óptica e espessura atomicamente fina, tornando os TMDs materiais de canal apropriados para fotodetectores, desempenham um papel crucial em dispositivos optoeletrônicos ou eletrônicos [15, 16]. Embora defeitos de cristal em TMDs que dão origem ao efeito de captura de portadores possam resultar em alta fotossensibilidade, eles podem inevitavelmente levar a uma velocidade de resposta lenta [17]. Além disso, alguns pesquisadores propõem o realce plasmônico para aumentar a utilização limitada de luz de materiais 2D [18,19,20]. Combinando as respectivas superioridades e mostrando transporte eletrônico único na junção, heteroestruturas TMDs ou costura lateral ou empilhamento vertical são apresentadas [21]. Tais heteroestruturas podem ajustar propriedades eletrônicas intrínsecas e melhorar a absorção óptica [22], apresentando características emergentes e projetáveis [13, 23]. Por exemplo, o campo elétrico embutido [24] ou a diferença de nível de energia [25] induzida por heteroestruturas TMD deve acelerar a separação de fototransportadores [26], suprimir a recombinação de fototransportadores [17, 27] e reduzir a corrente escura [28] também, o que é benéfico para obter fotodetecção de alto desempenho. Além disso, o grupo de Wang [29] certificou a recombinação elétron-buraco (e-h) suprimida em heteroestruturas laterais. Como relatado anteriormente, as heteroestruturas laterais mostraram maior mobilidade de portadores [30], enquanto as heteroestruturas verticais geralmente aumentaram a área fotoativa [27] e / ou impulsionaram a corrente por área [31]. Além disso, as interfaces no plano das heteroestruturas laterais mostraram maior intensidade de emissão do que ambos os lados [14]. No entanto, a emissão suprimida de fotoluminescência (PL) pode ser observada na hetero-interface vertical devido à reduzida recombinação radiativa direta [32]. Além disso, as heteroestruturas DTM laterais e verticais possibilitam a criação de novas transições excitônicas [14].
Em termos de qualidade de rede cristalina, MoX 2 / WX 2 (X =S, Se ou Te) heterojunções laterais podem induzir defeitos estruturais dificilmente devido à sua configuração semelhante a favo de mel [33, 34] e parâmetros de rede [34]. Além disso, este tipo de heterojunção pode formar o alinhamento de banda do tipo II em geral, o que é desejável para fotodetecção de alta eficiência [32, 34, 35]. De acordo com o trabalho anterior, monocamada lateral MoS 2 / WS 2 heterojunção preferida para exibir alinhamento de banda do tipo II com a banda de valência máxima (VBM) localizada em WS 2 e a banda de condução mínima (CBM) no MoS 2 [32, 34]. Por exemplo, o grupo de Wu relatou ainda que o VBM e o CBM do MoS 2 são 0,39 eV e 0,35 eV mais baixos do que WS 2 , respectivamente [34]. Além disso, o deslocamento de banda entre MoS 2 e WS 2 determinar o alinhamento da banda pode ser estimado através de suas diferentes posições orbitais d de Mo e W [34]. Heteroestruturas verticais podem ser preparadas por transferência mecânica e empilhamento, enquanto as laterais só podem ser obtidas por métodos de crescimento [14]. Além disso, heteroestruturas verticais, como relatado anteriormente, não podem ser um controle preciso e são facilmente contaminadas nas interfaces entre as camadas [33]. Felizmente, as heteroestruturas laterais podem ser sintetizadas pelo método de uma etapa para reduzir contaminações [28]. Atualmente, o crescimento de heteroestruturas de TMDs em monocamada lateral de grande área e alta qualidade tem permanecido um grande desafio [36]. Portanto, heterojunções de TMDs laterais de alta qualidade e grandes áreas são significativas e desejadas para o desenvolvimento de fotodetectores de alto desempenho.
Aqui, a monocamada lateral MoS 2 / WS 2 heterojunções com interfaces nítidas e boa uniformidade através do método CVD de fase líquida de uma etapa são preparadas e fotodetectores são fabricados com base nessas heteroestruturas. Os fotodetectores apresentados podem fornecer alta responsividade e detectividade de 567,6 A / W e 7,17 × 10 11 Jones, respectivamente. Este trabalho demonstra a monocamada lateral MoS 2 / WS 2 heterojunções podem servir como candidatos qualificados para aplicações optoeletrônicas de próxima geração.
Métodos
Síntese da heteroestrutura
0,05 g de tungstato de sódio, 0,5 g de molibdato de amônio e 0,12 g de partículas de NaOH (ou KOH) foram dissolvidos em 10 mL de água desionizada (DI) para obter a solução precursora. Os substratos de crescimento (safira) foram tratados com solução de piranha para melhorar a hidrofilicidade da superfície e, em seguida, a solução precursora foi uniformemente revestida por rotação em substratos de safira limpos. Depois disso, o precursor coberto de safira e enxofre foram colocados na central de aquecimento e a montante de um tubo de quartzo, respectivamente. O centro de aquecimento foi aumentado para 700 ° C em 40 min e mantido por 10 min para aumentar o MoS 2 -OH bicamadas (ou seja, MoS 2 monocamada e uma única camada de OH - íons anexados). Finalmente, o gás de arraste foi alterado de Ar para Ar / H 2 (5% H 2 ), e a central de aquecimento aquecida a 780 ° C em 10 min e mantida por 10 min para permitir WS 2 crescer ao longo das bordas do MoS 2 –OH bicamadas, formando MoS 2 / WS 2 heteroestruturas laterais. Os mais detalhes da síntese da heteroestrutura referem-se ao trabalho anterior [30].
Processo de transferência
Usamos o método auxiliado por poliestireno (PS) para transferir WS 2 / MoS 2 heteroestruturas laterais de safira a SiO 2 Substratos / Si. A solução de PS (9 g de PS foram dissolvidos em 100 mL de tolueno) é primeiro revestida por rotação nas heteroestruturas com 3500 rpm por 60 s, então a amostra é cozida a 90 ° C por 10 min para eliminar o tolueno. Depois disso, o WS 2 / MoS 2 –PS filme é obtido por uma gota de água, e o flutuante WS 2 / MoS 2 O filme –PS é então dragado com um SiO 2 limpo Substrato / Si. O WS 2 / MoS 2 –PS-SiO 2 / A amostra de Si é cozida a 80 ° C por 1 he depois a 150 ° C por 30 min para espalhar o polímero e eliminar possíveis rugas. Finalmente, o filme PS é removido enxaguando com tolueno várias vezes para obter WS 2 / MoS 2 -SiO 2 Amostras de / Si.
Fabricação de dispositivos
A litografia de feixe de elétrons padrão (EBL) foi usada para definir os marcadores e padrões de eletrodo na monocamada lateral conforme cresceu MoS 2 / WS 2 heterojunções. Os eletrodos Ti / Au (10 nm / 100 nm) foram evaporados no canal e retirados em acetona. O dispositivo foi recozido termicamente a 400 ° C por 2 h em vácuo e resfriado até a temperatura ambiente rapidamente.
Caracterização do material
As imagens ópticas foram capturadas com microscópio OLYMPUS (LV100ND). As imagens de mapeamento Raman, PL e AFM foram medidas com um espectrômetro confocal Raman-AFM (Witec, alpha300 RA) com um laser de 532 nm.
Caracterização do dispositivo
As propriedades optoeletrônicas dos fotodetectores foram medidas com a estação de sonda SemiProbe e um analisador de parâmetros semicondutores (Keithley 4200) e Platform Design Automation (PDA, FS-Pro). Lasers de diferentes comprimentos de onda como fontes de luz foram usados para medir a fotorresposta dos fotodetectores. Diferentes densidades de laser foram determinadas com um irradiatômetro.
Resultados e discussão
A Figura 1a mostra a imagem óptica da heteroestrutura de monocamada lateral crescida em CVD, ilustrada pelo contraste óptico. Os espectros Raman correspondentes obtidos nas diferentes posições marcadas 1 e 2 na Fig. 1a confirmam a configuração do MoS interno 2 (385,5 cm −1 e 405,3 cm −1 ) e WS externo 2 (351,5 cm −1 e 416,5 cm −1 ) na Fig. 1b [30]. Alta qualidade de cristal de MoS 2 e WS 2 estão implícitos porque nenhum pico de oxidação foi observado nos espectros Raman correspondentes [37]. Especialmente, os eigen-peaks de MoS 2 e WS 2 ambos foram observados na interface costurada marcada com 3 na Fig. 1a, indicando a forma de dois materiais na interface. Além disso, a diferença de frequência entre E 2g modo e A 1g modo de MoS 2 é 19,8 cm −1 , sugerindo uma monocamada [30, 38, 39]. Ao considerar WS 2 , a taxa de intensidade de pico do modo acústico longitudinal (2LA) [40] a 352 cm −1 para A 1g modo, ou seja, I 2LA / I A1g , é mais preciso para verificar a espessura do que a diferença de frequência [14]. A proporção foi estimada em ~ 2, de acordo com a monocamada WS 2 medido por laser de 532 nm [14]. O distinto desvio para o vermelho de E 2g pode ser observado o modo (vibração no plano), resultante do efeito liga [41] nas heterojunções laterais. Notavelmente, esse comportamento semelhante também foi observado nas heterojunções verticais, causadas por blindagem dielétrica e acoplamento interlayer [42]. Além disso, o resultado do mapeamento Raman na Fig. 1c com a região azul do MoS 2 e a região vermelha do WS 2 indica a heteroestrutura perfeita no plano de alta qualidade [13, 43]. Figura 1d, e também demonstra a configuração com MoS 2 dentro e WS 2 fora por mapeamento PL, respectivamente [13]. Vários pontos mostrando intensidades de PL aprimoradas em WS 2 região pode ser explicada como a falta de homogeneidade do portador causada por impurezas ou vacâncias [14]. Além disso, as emissões de PL mais fortes na interface do que o MoS 2 região poderia ser interpretada como a distribuição não homogênea de portadores ou maior taxa de recombinação de portadores fotoinduzida nas bordas [14]. Os mapeamentos Raman e PL sugerem uma interface nítida e bem costurada entre MoS 2 e WS 2 [14, 44]. A espessura e a morfologia da superfície foram medidas por microscópio de força atômica (AFM) com modo de captura. Observe que poucos limites de grão resultando na dispersão do portador de carga [45] são observados no material dentro, mas as bordas indicam melhor desempenho de transporte elétrico, conforme mostrado na Fig. 1f [14, 46]. A espessura do WS 2 fora é ~ 0,7 nm (parte inferior) consistente com WS crescido por CVD 2 monocamada relatada anteriormente [47], e a diferença de altura entre WS 2 e MoS 2 é cerca de 0,25 nm (topo), implicando em MoS monocamada 2 [47]. No geral, os resultados da caracterização do material acima podem demonstrar a monocamada lateral MoS 2 / WS 2 heterojunção com a interface nítida.
Resultados de caracterização de material da monocamada lateral conforme cresceu MoS 2 / WS 2 heteroestrutura. ( a) A imagem óptica da monocamada lateral MoS 2 / WS 2 heterojunção. ( b) O espectro Raman obtido do local marcado com 1, 2 e 3 pol. ( a ), respectivamente. A imagem de mapeamento Raman ( c ), Imagens de mapeamento PL do MoS 2 região ( d ) e WS 2 região ( e ) da área com moldura vermelha em ( a ) A barra de cor falsa correspondente é inserida na parte inferior de ( c ) - ( e ) ( f ) O perfil de altura da seção transversal correspondente do azul (entre WS 2 e MoS 2 ) e branco (entre WS 2 e substrato) linhas marcadas na imagem de morfologia AFM
Os fotodetectores foram fabricados usando um sistema EBL baseado no MoS lateral 2 / WS 2 heterojunção. A Figura 2a exibe o diagrama esquemático (parte superior) do dispositivo de heterojunção lateral e o alinhamento da banda do tipo II correspondente (parte inferior). Consequentemente, elétrons e lacunas são transferidos e confinados no MoS 2 e WS 2 região através da interface, respectivamente, alcançando a conversão fotoelétrica [13, 21, 24, 48]. Atribuímos isso ao efeito fotogante, como um caso especial de efeito fotocondutor [49]. O efeito de fotogate pode funcionar como um fotogate local modulando a condutância do canal [50]. A imagem óptica do dispositivo com a área efetiva do dispositivo de ~ 40 μm 2 é descrito na Fig. 2b com os eletrodos E1 e E2 como os eletrodos de fonte e dreno. A fim de descobrir a configuração da heterojunção, o mapeamento Raman combinado foi realizado (Fig. 2c), indicando os materiais do canal do MoS lateral 2 / WS 2 heterojunção entre a fonte medida e os eletrodos de dreno (E1 e E2) [28]. As seções azul, vermelha e escura são MoS 2 , WS 2 e eletrodos de metal, respectivamente. A Figura 2d mostra as curvas características de saída semilogarítmica da heterojunção lateral sob luz visível com 405 nm, 520 nm e 635 nm, respectivamente. A inserção na Fig. 2d revela um I-V linear relação entre o canal e os eletrodos [51,52,53,54,55,56]. O linear eu - V caráter é propício para alcançar alta responsividade, mas baixa sensibilidade dos fotodetectores devido a uma alta corrente escura [57]. Além disso, o I ph (ou seja, eu leve - eu escuro ) do fotodetector aumenta para 12,5 vezes antes do recozimento térmico, o que pode ser atribuído à diminuição da resistência de contato [46, 58], remoção de defeitos [59] e melhor condutividade elétrica [60]. A Figura 2e mostra as características de comutação de fotos estimuladas pelos comprimentos de onda acima. A corrente transitória aumenta rapidamente quando a luz está ligada e diminui assim que a luz é desligada, o que implica que este fotodetector pode servir como um interruptor ativado por luz imediata [61].
Características optoeletrônicas do fotodetector. ( a) O diagrama esquemático e o alinhamento de banda proposto do fotodetector. A imagem ótica ( b ) e mapeamento Raman combinado correspondente ( c ) do fotodetector. E1 e E2 representam a fonte e os eletrodos de drenagem do dispositivo medido. O semilogarítmico ( d ) e linear (inserção de ( d) ) Eu - V características e as características de comutação ( e ) do fotodetector
As características de saída semilogarítmica com o mesmo comprimento de onda, mas com densidades de potência de laser variadas, são representadas na Fig. 3a. Como esperado, a fotocorrente é aumentada conforme as densidades de potência do laser aumentam devido a mais portadoras fotogeradas induzidas [62]. A Figura 3b mostra o I - V curvas com a mesma densidade de potência do laser, mas diferentes comprimentos de onda incidentes (ou seja, diferentes quantidades de absorção de luz e energia de excitação óptica). Embora o comprimento de onda mais curto possua menos fótons em comparação com o comprimento de onda mais longo na mesma densidade de potência do laser. Neste caso, a corrente transitória medida aumenta com as diminuições do comprimento de onda de irradiação. Isso pode ser causado pela absorção óptica reduzida no comprimento de onda mais longo [63, 64]. A Figura 3c descreve a corrente transiente sob iluminação a laser periódica de 10 s, indicando uma fotorresposta reproduzível estável [61]. Para a maioria dos fotodetectores de baixa dimensão dominados pelo efeito fotogatador, a velocidade de resposta limitada e a alta responsividade podem ser obtidas devido ao excesso de vida do portador prolongado [50, 65]. O tempo de subida / queda é definido como o tempo necessário para a fotocorrente subir / descer de 10% / 90% do valor estável para 90% / 10% [66, 67]. O tempo de ascensão / queda relativamente longo deve ser causado pela lenta recombinação do portador, originada da iluminação a laser que excita muitos estados defeituosos [68]. Portanto, o tempo de resposta, incluindo o tempo de subida e o tempo de queda, foi sacrificado pelo efeito de fotogação por causa dos processos de captura de carga de longa duração [57]. Alguns pesquisadores propuseram que o material do canal de alta qualidade, que pode oferecer um caminho curto e suave para a transferência da portadora e uma estrutura de dispositivo ideal, pode melhorar a velocidade de resposta [69, 70]. Na verdade, as figuras de mérito dos dispositivos fotossensíveis são principalmente de responsabilidade ( R ) e detectividade ( D *). R é calculado pelas relações de
$$ R ={{\ mathop I \ nolimits_ {ph}} \ mathord {\ left / {\ vphantom {{\ mathop I \ nolimits_ {ph}} {(P \ cdot S)}}} \ right. \ kern- \ nulldelimiterspace} {(P \ cdot S)}} $$ (1)
Comportamento de fotorresposta do fotodetector. O eu - V características sob diferentes densidades de potência do laser de 405 nm ( a ) e sob diferentes comprimentos de onda incidentes de 5 mW / cm 2 ( b ) ( c) A fotorresposta resolvida no tempo excitada pela ativação / desativação periódica da luz incidente. ( d) O R extraído (esfera preta) em função das densidades de potência do laser. A tensão aplicada para ( c - d ) é 1 V
onde P e S são a densidade de potência do laser e a área efetiva do dispositivo, respectivamente [62, 71, 72]. A Figura 3d mostra os valores correspondentes de R do fotodetector sob diferentes densidades de potência do laser. O campeão R atinge até ~ 567,6 A / W fornecendo o parâmetro de desempenho competitivo. O alto R é atribuído à supressão da recombinação do fototransportador na heteroestrutura juntamente com o aprisionamento de elétrons no MoS 2 região presumivelmente [22]. O R diminuído à medida que a densidade de potência do laser aumenta, revela ainda mais o efeito de fotodetecção no fotodetector [73].
Além disso, a fotocorrente e a densidade de potência do laser seguem a equação da lei da potência:
$$ \ mathop I \ nolimits_ {ph} =A \ mathop P \ nolimits ^ {\ alpha} $$ (2)
onde A é uma constante e 0 < α <1. O valor de α , obtido pelo ajuste da curva de I ph versus P na Fig. 4a, está relacionado ao processo de captura, recombinação e transferência de portadores [74, 75]. A relação sublinear entre I ph e P sugere ainda a presença do efeito fotogante no dispositivo [65]. O valor mais alto de α (como ~ 0,73) pode ser obtido quando as densidades de potência mais baixas são aplicadas devido à recombinação de fototransportadores reduzida e às interações entre os portadores [75, 76]. Em contraste, densidades de potência mais altas podem resultar em um valor α degradado de ~ 0,55 por causa de perdas de recombinação mais fortes e mais estados de armadilha [77]. A pré-condição do D calculado * por meio da equação
$$ \ mathop D \ nolimits ^ {*} =R \ mathop {({S \ mathord {\ left / {\ vphantom {S {2e \ mathop I \ nolimits _ {{{\ text {dark}}}}}} } \ right. \ kern- \ nulldelimiterspace} {2e \ mathop I \ nolimits _ {{{\ text {dark}}}}}})} \ nolimits ^ {{{1 \ mathord {\ left / {\ vphantom {1 2}} \ certo. \ kern- \ nulldelimiterspace} 2}}} $$ (3)
(a) O enredo de eu ph versus densidades de potência do laser. ( b) O espectro de potência atual ( S eu ) em frequências diferentes. A tensão aplicada para ( a – b ) é 1 V
é que os fotodetectores são limitados pelo ruído de disparo como a principal fonte de ruído [49, 66, 78]. A fim de avaliar melhor D * mais precisamente, a corrente de ruído obtida na Fig. 4b é medida em diferentes frequências [74]. A Figura 4b mostra o ruído 1 / f típico [79] em nossos fotodetectores, que é um impedimento significativo para a indústria de semicondutores de novos materiais. Este tipo de ruído é resultado principalmente das impurezas carregadas e locais de aprisionamento no canal condutor [57, 80]. Uma qualidade de material superior e uma densidade de defeito estrutural pequena são desejadas para reduzir o ruído 1 / f [81]. De acordo com a fórmula de
$$ \ mathop D \ nolimits ^ {*} =R {{\ mathop {(S \ Delta f)} \ nolimits ^ {{{1 \ mathord {\ left / {\ vphantom {1 2}} \ right. \ kern- \ nulldelimiterspace} 2}}}} \ mathord {\ left / {\ vphantom {{\ mathop {(S \ Delta f)} \ nolimits ^ {{{1 \ mathord {\ left / {\ vphantom {1 2}} \ certo. \ kern- \ nulldelimiterspace} 2}}}} {\ mathop I \ nolimits _ {{{\ text {noise}}}}}}} \ right. \ kern- \ nulldelimiterspace} {\ mathop I \ nolimits _ {{{\ text {noise}}}}}} $$ (4)
onde Δ f e eu ruído são largura de banda de medição e corrente de ruído [79], a detectividade do fotodetector é de cerca de 7,17 × 10 11 Jones. A Tabela 1 comparou alguns fotodetectores representativos selecionados com o desempenho de fotorresposta correspondente com base em materiais 2D. O relativamente alto R e D * de nossos fotodetectores apresentam grande potencial em dispositivos optoeletrônicos.
Conclusões
Em resumo, um fotodetector de alto desempenho foi desenvolvido com base na monocamada lateral MoS 2 / WS 2 heterojunção. O tamanho dos materiais do canal crescidos pelo método CVD de fase líquida de uma etapa atinge a escala milimétrica. Além disso, os materiais do canal de alta qualidade com boa uniformidade e interface nítida foram examinados por caracterizações sistemáticas de material e medições subsequentes do dispositivo. Particularmente, alta responsividade de 567,6 A / W e detectividade de ~ 10 11 Jones são alcançados para os fotodetectores atribuindo ao efeito fotogante. O desempenho do MoS lateral proposto 2 / WS 2 os fotodetectores de heterojunção são melhores ou comparáveis ao trabalho relatado [24, 62, 76, 78, 86, 97, 98]. Além disso, supomos que o ruído 1 / f indesejado decorrente da captura / retirada de portadores de carga pode ser ainda mais reduzido por material de canal de alta qualidade e sem defeitos. O crescimento fácil de CVD em fase líquida em uma etapa e o excelente desempenho optoeletrônico dos fotodetectores podem motivar pesquisas futuras sobre dispositivos optoeletrônicos baseados em heteroestruturas laterais.
Disponibilidade de dados e materiais
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