Respuesta fotovoltaica pronunciada del fototransistor MoTe2 multicapa con formulario de contacto asimétrico

un Imagen óptica e imagen AFM de MoTe ₂ multicapa fototransistor. Las barras de escala son de 5 μm. b Espectro Raman de MoTe ₂ multicapa fototransistor con excitación láser de 514 nm. c Transferir características y d características de salida de MoTe ₂ multicapa fototransistor

La medición eléctrica indica que el MoTe ₂ de varias capas El fototransistor es de tipo p como se muestra en la Fig. 1c, que está en estado encendido con voltaje de puerta negativo y en estado apagado con voltaje de puerta positivo. La relación actual de encendido y apagado es de 6,8 × 10 ³ cuando el voltaje fuente-drenaje V _sd es 1 V. La movilidad del efecto de campo (μ) es 14,8 cm ² / V s según características de transferencia. Cuando el voltaje polarizado V _sd disminuye de 1 V a 100 mV, tanto en corriente como fuera de corriente disminuyen, y la relación de encendido y apagado sigue estando por encima de 6,0 × 10 ³ , como se muestra en el archivo adicional 1:Figura S3 (a) y (b). Cuando el voltaje de la puerta pasa de - 20 a 20 V y luego vuelve a - 20 V, MoTe de múltiples capas ₂ El fototransistor muestra una pequeña histéresis (consulte el archivo adicional 1:Figura S3 (c)) y conductancia de tipo p estable al aire, que se beneficia del proceso de fabricación simple y MoTe ₂ sin polímero muestra. También fabricamos otros MoTe ₂ de varias capas fototransistor con un espesor de 5, 10, 11, 12, 15,7 y 38 nm, respectivamente, como se muestra en el archivo adicional 1:Figura S4. Todos muestran conductancia de tipo p estable al aire. La Figura 1d muestra las características de salida de MoTe ₂ multicapa transistor como voltaje de puerta trasera ( V _bg ) varía de - 20 a 4 V. Como se ve, la respuesta es esencialmente lineal, especialmente a un voltaje polarizado bajo de V _sd , lo que indica que existe una barrera de Schottky baja entre Au y MoTe ₂ en el aire.

La Figura 2 muestra la fotorrespuesta de MoTe ₂ multicapa fototransistor cuando está iluminado por láser de onda continua de 637 nm en condiciones ambientales, que se realiza combinando el analizador de semiconductores Agilent B1500A con la estación de sonda Lakeshore. El tamaño del punto láser es superior a 200 μm de diámetro y el dispositivo está cubierto con una intensidad de iluminación uniforme. La fotorrespuesta dependiente de la puerta trasera y dependiente de la energía se muestra en el archivo adicional 1:Figura S5. Como se muestra en la Fig. 2a, cuando un voltaje de puerta trasera es 0 V, la corriente de fuente-drenaje ( I _sd ) aumenta con la potencia del láser. yo _sd frente a V _sd las curvas a diferentes niveles de potencia de iluminación se encuentran en V _sd =0 V, que se observa claramente en una gráfica logarítmica de | I _sd | mostrado en la Figura insertada de la Fig. 2a. Cuando V _bg =5 V, el fototransistor está en estado desactivado (ver Fig. 1c) y la corriente de I _sd aumenta con la potencia del láser de iluminación, mostrando un comportamiento no lineal claro, como se muestra en la Fig. 2b. Además, el fototransistor muestra un voltaje de circuito abierto distinto de cero ( V _OC ) y corriente de cortocircuito ( I _SC ) con iluminación láser, que es la evidencia de la respuesta fotovoltaica de MoTe ₂ multicapa fototransistor. La figura 2c muestra V _OC y yo _SC en función del poder de iluminación. V _OC permanece sin cambios a 50 mV (la potencia de iluminación es superior a 500 μW), y | I _SC | aumenta de 0 a 1,6 nA cuando la potencia del láser aumenta de 0 a 4175 μW. Cuando cambiamos la dirección del voltaje, V _OC y yo _SC permanecen sin cambios como se muestra en la Fig. 2d. V _sd representa el voltaje cargado en el electrodo fuente y V _ds se carga en el electrodo de drenaje, y la corriente correspondiente se indica con I _sd y yo _ds , respectivamente. La imagen de inserción en la Fig. 2d ilustra la dirección del voltaje y la corriente. Ya sea que el voltaje se cargue en la fuente o en el electrodo de drenaje, el V _OC de 50 mV en relación con el voltaje de la fuente y el I correspondiente _SC de 680 pA que fluyen desde el electrodo de drenaje al electrodo fuente, ambos permanecen sin cambios. Esto confirma la respuesta fotovoltaica de MoTe ₂ multicapa fototransistor.

Respuesta fotográfica de MoTe ₂ multicapa fototransistor iluminado por láser de longitud de onda de 637 nm en condiciones ambientales. un yo _sd frente a V _sd curvas en V _bg =0 V a medida que aumenta la potencia de iluminación. b yo _sd frente a V _sd curvas en V _bg =5 V a medida que aumenta la potencia de iluminación. c V _OC y yo _SC en función del poder de iluminación. d Corriente de salida para voltaje polarizado cargado en la fuente y el electrodo de drenaje, respectivamente

Con el fin de revelar el mecanismo de la fotorrespuesta, especialmente la respuesta fotovoltaica, realizamos un estudio de microscopía de fotocorriente de barrido (SPCM), que ayuda a obtener los perfiles de potencial espacial y a analizar la fotorrespuesta resuelta espacialmente. La SPCM se realiza utilizando una configuración de fotocorriente de escaneo casera en condiciones ambientales. La excitación óptica es proporcionada por el láser de luz blanca supercontinua SuperK EXTREME. Su longitud de onda varía de 400 a 2400 nm. El haz, con longitud de onda ajustable usando el filtro sintonizable multilínea SuperK SELECT, se enfoca en el dispositivo usando una lente objetivo de 20 ×. Se utiliza un sistema de posicionamiento de espejo de galvanómetro para hacer que el rayo láser escanee el dispositivo para obtener mapas de fotocorriente. La luz reflejada y la fotocorriente se registran con un preamplificador de corriente y un amplificador de bloqueo a una frecuencia de corte de 1 KHz.

La Figura 3 muestra la fotocorriente de barrido de D1 con una longitud de onda de excitación de 1200 nm. El diámetro del punto láser es de aproximadamente 4,4 μm derivado de la imagen de reflexión (consulte el archivo adicional 1:Figura S7). La figura 3a muestra la imagen óptica, junto con la configuración eléctrica. yo _PC Las mediciones se realizan en condiciones de cortocircuito, en las que el electrodo fuente está conectado a tierra y I _PC se recoge del electrodo de drenaje. La corriente que fluye desde la fuente al electrodo de drenaje es positiva. La Figura 3b muestra una imagen de fotocorriente resuelta espacialmente recolectada en el voltaje de la puerta ( V _bg ) de - 5, 0 y 5 V, respectivamente. Se puede ver que el cortocircuito I _PC con polaridades opuestas es fuerte en la vecindad de las interfaces entre MoTe ₂ y los electrodos. Cuando V _bg cambia de - 5 a 0 V, I _PC el patrón permanece sin cambios pero la intensidad disminuye. V _bg se aumenta aún más a 5 V; yo _PC no solo cambia la polaridad, la posición de máximo I _PC también se aleja de la interfaz de contacto y entra en el canal. La figura 3c muestra la I _PC perfil tomado de la línea discontinua negra en la Fig. 3b en V _bg =- 5, 0 y 5 V, respectivamente. Demuestra claramente que yo _PC tiene un pico de intensidad amplio cerca de la interfaz entre MoTe ₂ y electrodos en V _bg =- 5 y 0 V, mientras que el pico se mueve hacia el canal, que está a unos 3 μm de la interfaz de contacto y se vuelve más estrecho.

Imágenes de fotocorriente de resolución espacial de D1 en función del voltaje de la puerta. un La imagen óptica junto con la configuración eléctrica. b Imágenes de fotocorriente con resolución espacial en V _bg =- 5, 0 y 5 V, respectivamente. c yo _PC perfil recogido de la línea punteada negra en la Fig. 3b. d Perfiles potenciales correspondientes en V _bg =- 5, 0 y 5 V, respectivamente. Las barras de escala son de 5 μm en todas las cifras

La presencia de yo _PC picos indica la existencia de pasos potenciales en condición de cortocircuito. Según el I _PC distribución, trazamos el perfil de potencial correspondiente a lo largo del canal del dispositivo como se muestra en la Fig. 3d. En V _bg =- 5 y 0 V, los pasos potenciales están cerca de la interfaz de contacto entre MoTe ₂ y electrodos, y se mueven hacia el canal en V _bg =5 V. Según el estudio anterior [41], el contacto del electrodo de Au introduce el dopaje p y fija el nivel de Fermi de MoTe ₂ en la parte de contacto. Por lo tanto, los pasos potenciales se forman en las proximidades del electrodo / MoTe ₂ interfaz, ya que el nivel de Fermi en el canal está modulado por el voltaje de la puerta. En V _bg =0 V, un I débil _PC se observa, que fluye desde el electrodo a MoTe ₂ canal. Significa que los electrones fotoexcitados se desplazan al electrodo cercano y los agujeros a MoTe ₂ canal. En V _bg =- 5 V, la densidad del agujero en MoTe ₂ El canal se mejora e induce un paso de potencial más grande en la vecindad del electrodo / MoTe ₂ interfaz. Los pares de electrones-huecos fotoexcitados se pueden separar eficazmente y I _PC aumenta. Cuando V _bg =5 V, se inyectan más electrones en el MoTe ₂ canal, y se forma un pozo potencial en el canal. Debido a la electrostática del electrodo, los pasos potenciales se alejan del electrodo y aparecen en el canal. Los electrones fotoexcitados se desplazan hacia el MoTe ₂ canal y agujeros hacia el electrodo cercano. yo _PC cambia de dirección en comparación con la de V _bg =- 5 y 0 V.

La Figura 4 muestra el I resuelto espacialmente _PC en diferentes V _sd como V _bg =0 y 5 V, respectivamente. La figura 4a muestra la imagen óptica, junto con la configuración eléctrica. V _sd se carga en el electrodo fuente, y I _PC se recoge del electrodo de drenaje. La corriente que fluye desde la fuente al electrodo de drenaje es positiva. La figura 4b muestra I _PC en función de V _sd en V _bg =0 V. Cuando V _sd =0, - 0.01 y 0.01 V, fuerte I _PC ocurre en las cercanías de MoTe ₂ / interfaz de electrodos, luego se mueve hacia el centro del canal como V _sd aumenta a 0,1 V. Se observa una tendencia similar en V _bg =5 V como V _sd aumenta como se muestra en la Fig. 4c. La figura 4d muestra un I claro _PC pico en el centro del canal del dispositivo como V _sd aumenta a 0,5 V. I _PC Los perfiles tomados a lo largo de la línea discontinua negra en la Fig. 4a se muestran en la Fig. 4e, f, que muestran claramente la I _PC tendencia de variación como V _sd aumenta. Ambos indican el máximo I _PC generado en las proximidades de la interfaz de contacto en condición de cortocircuito o con una pequeña V _sd tendencioso. Cuando aumenta el voltaje polarizado, el pico de fotocorriente se mueve hacia el centro del canal del dispositivo.

Imágenes de fotocorriente de resolución espacial de D1 en función de V _sd . un La imagen óptica junto con la configuración eléctrica. b Imágenes de fotocorriente con resolución espacial en V _bg =0 V y V _sd =- 0,1, 0,01, 0, 0,01 y 0,1 V, respectivamente. c Imágenes de fotocorriente con resolución espacial en V _bg =5 V y V _sd varía de - 0,1 a 0,1 V. d Imágenes de fotocorriente con resolución espacial en V _bg =5 V y V _sd =0,5 V. e yo _PC perfil en V _bg =0 V y f yo _PC perfil en V _bg =5 V tomado a lo largo de la línea discontinua en la Fig. 4a. Las barras de escala son de 5 μm en todas las cifras

Con base en estos hallazgos, sabemos que el paso de potencial, formado cerca de los electrodos / MoTe ₂ interfaz debido al dopaje del MoTe ₂ por los contactos metálicos, domina la separación de pares electrón-hueco fotoexcitados en condición de cortocircuito o con pequeños V _sd tendencioso. Por lo tanto, yo _PC en MoTe ₂ -la fuente es más grande que la de MoTe ₂ -drenaje debido a la interfaz de contacto más grande en MoTe ₂ -fuente, y la corriente neta no es cero, mientras que la corriente neta distinta de cero es menor que I _sd en V _bg =- 5 y 0 V (en estado activado), y mayor que en V _bg =5 V (en estado apagado). Por lo tanto, observamos claro I _SC en V _bg =5 V como se muestra en la Fig. 2b y archivo adicional 1:Figura S6 (b) - (f). Por lo tanto, tanto yo _SC y la V correspondiente _OC son el resultado del paso potencial y del contacto asimétrico. Además, fabricamos la muestra D2 con una sección transversal de contacto más asimétrica, como se muestra en el archivo adicional 1:Figura S1, en comparación con D1. Muestra una respuesta fotovoltaica similar, con V _OC tan alto como 150 mV cuando V _bg =5 V y la longitud de onda del láser de iluminación es de 637 nm. Cuando la longitud de onda de iluminación varía a 830, 940, 1064 y 1312 nm, D2 muestra una respuesta fotovoltaica similar en V _bg =5 V (consulte el archivo adicional 1:Figura S6). También fabricamos otros cuatro dispositivos como se muestra en el archivo adicional 1:Figura S8, que demuestran un comportamiento similar al que se ha mostrado en D1 y D2. Estos datos confirman aún más que la respuesta fotovoltaica de MoTe ₂ multicapa El fototransistor es el resultado de la sección transversal de contacto asimétrica entre MoTe ₂ -source y MoTe ₂ -electrodos de drenaje.

Finalmente, probamos el tiempo de fotorrespuesta y el rango espectral de MoTe ₂ multicapa fototransistor. La figura 5a muestra la fotocorriente resuelta en el tiempo en V _bg =5 V y V _sd =0 y 1 V, respectivamente, que se registran mediante un preamplificador de corriente y un osciloscopio. El láser de excitación es una onda cuadrada con un ancho de 2 ms a una longitud de onda de 637 nm. Las corrientes recogidas bajo V _sd =0 y 1 V muestran una dirección opuesta, lo cual es consistente con los datos dados en la Fig. 2b, y es el resultado de la diferencia entre V _OC y V _sd . El tiempo de subida y el tiempo de caída de la fotorrespuesta se definen como el tiempo entre el 10 y el 90% de la fotocorriente total. Como se ve, el tiempo de subida \ (\ left ({\ tau} _ {\ mathrm {subida}} ^ 0 \ right) \) es de 20 μs y el tiempo de caída \ (\ left (\ {\ tau} _ {\ mathrm {fall}} ^ 0 \ \ right) \) es 127 μs en V _sd =0 V, y el tiempo de subida \ (\ left ({\ tau} _ {\ mathrm {subida}} ^ 1 \ right) \) es de 210 μs y el tiempo de caída \ (\ left ({\ tau} _ {\ mathrm {fall}} ^ 1 \ right) \) es 302 μs en V _sd =1 V, que son ambos mayores que en V _sd =0 V. Esto se debe al mecanismo diferente de generación de fotocorriente. En V _sd =0 V, la fotocorriente potencial dominada por pasos se genera en la vecindad del electrodo / MoTe ₂ interfaz. En V _sd =1 V, la fotocorriente se genera en el canal del dispositivo, y los portadores fotoexcitados tienen que atravesar el canal para llegar al electrodo, lo que lleva más tiempo que la generación cerca del electrodo / MoTe ₂ interfaz. Por lo tanto, el dispositivo muestra un tiempo de respuesta fotográfica más largo en V _sd =1 V que en V _sd =0 V. Además de trabajar en la banda visible, un MoTe ₂ de varias capas El fototransistor tiene fotorrespuesta en la banda del infrarrojo cercano. La Figura 5b muestra que su fotorrespuesta se puede extender de 1200 a 1550 nm. La excitación óptica, proporcionada por el láser de luz blanca supercontinua SuperK EXTREME, se enfoca en el centro del canal del dispositivo utilizando una lente objetivo de 20 × con un diámetro de punto de 4,4 μm. Los datos indican que MoTe ₂ multicapa El fototransistor se puede utilizar en la banda de comunicación.

Tiempo de fotorrespuesta y rango espectral de MoTe ₂ multicapa fototransistor. un Fotocorriente resuelta en el tiempo en V _bg =5 V y V _sd =0 V (línea negra) y 1 V (línea roja), respectivamente. b Fotorespuesta a diferentes longitudes de onda de fotoexcitación

Conclusiones

En resumen, hemos fabricado MoTe ₂ multicapa tipo p estable al aire fototransistor con forma de contacto asimétrica. Su fotorrespuesta se investiga utilizando la fotocorriente de exploración a diferentes voltajes de puerta y fuente-drenaje, lo que ayuda a revelar los perfiles de potencial espacial. Los resultados indican que el paso de potencial, formado cerca de los electrodos / MoTe ₂ interfaz debido al dopaje del MoTe ₂ por los contactos de metal, juega un papel importante en la separación de pares de agujeros de electrones fotoexcitados en condición de cortocircuito o con pequeños V _sd tendencioso. La corriente neta no es cero cuando existe un paso potencial con una sección transversal de contacto asimétrica entre MoTe ₂ -source y MoTe ₂ -electrodos de drenaje. Cuando el voltaje polarizado V _sd se eleva por encima del paso potencial, V _sd domina la separación de pares de electrones-huecos fotoexcitados, y I _PC aparece pico en el centro del canal del dispositivo. Además, MoTe ₂ El fototransistor muestra una respuesta más rápida en condiciones de cortocircuito que con una V de mayor polarización. _sd dentro de un submilisegundo, y su rango espectral puede extenderse hasta el extremo infrarrojo de 1550 nm.

Métodos / Experimental

MoTe ₂ de múltiples capas con puerta trasera Los fototransistores se fabrican de la siguiente manera. Primero, los electrodos de fuente, drenaje y compuerta se modelan en SiO ₂ de 300 nm / p ⁺ -Si sustrato utilizando técnicas estándar de fotolitografía UV, seguido de grabado selectivo de 300 nm SiO ₂ debajo del electrodo de puerta y evaporación por haz E de películas de Cr / Au de 5 nm / 100 nm. En segundo lugar, el MoTe ₂ de varias capas La muestra se prepara en otro SiO ₂ de 300 nm / p ⁺ -Si sustrato por exfoliación mecánica de 2H-MoTe ₂ semiconductor de tamaño mm monocristales, que se cultivan mediante transporte de vapor químico utilizando TeCl ₄ como agente de transporte en un gradiente de temperatura de 750 a 700 ° C durante 3 días. Finalmente, el MoTe de múltiples capas preparado ₂ La muestra se transfiere a electrodos de drenaje de fuente con patrón utilizando alcohol polivinílico (PVA) como medio. PVA se disuelve en H ₂ O y se enjuaga con alcohol isopropílico. MoTe ₂ de varias capas las muestras se identifican mediante un microscopio óptico y el espesor correspondiente se caracteriza mediante microscopía de fuerza atómica (AFM) SPA-300HV. Las señales Raman se recogen mediante un espectrómetro LabRAM HR Raman con excitación láser de longitud de onda de 514 nm en la configuración de retrodispersión utilizando un objetivo de 100 ×.

La caracterización eléctrica y la fotorrespuesta para la excitación láser de 637 nm se realizan combinando el analizador de semiconductores Agilent B1500A con la estación de sonda Lakeshore. El láser se ilumina sobre el dispositivo mediante fibra y el tamaño del punto es superior a 200 μm. La fotocorriente resuelta en el tiempo se registra utilizando un preamplificador de corriente DL1211 y un osciloscopio Keysight MSOX3024T. La fotocorriente de resolución espacial se realiza mediante una configuración casera. El láser de excitación lo proporciona el láser de luz blanca supercontinuo SuperK EXTREME con un accesorio de filtro sintonizable multilínea SuperK SELECT para ajustar la longitud de onda. La luz se enfoca en el dispositivo usando una lente objetivo de 20 × y se corta con SR570. La luz reflejada y la fotocorriente se registran con el preamplificador de corriente DL1211 y el amplificador de bloqueo SR830.

Abreviaturas

2D:

Bidimensional

2H-MoTe ₂ :

Ditelurida de molibdeno tipo 2H

AFM:

Microscopía de fuerza atómica

FET:

Transistor de efecto de campo

I _PC :

Fotocorriente

I _SC :

Corriente de cortocircuito

I _sd :

Corriente de fuente-drenaje

PVA:

Alcohol polivinílico

TMD:

Dicalcogenuros de metales de transición

V _bg :

Voltaje de puerta trasera

V _OC :

Voltaje de circuito abierto

V _sd :

Voltaje de fuente-drenaje

τ _caer :

Tiempo de caída

τ _subir :

Tiempo de subida

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