Homounión en plano WSe2 inducida por interfaz para fotodetección de alto rendimiento

Resultados y discusión

La Figura 1a muestra un esquema del WSe ₂ en el plano homounión. Se puede ver que parte de WSe ₂ la escama se coloca sobre la escama de h-BN (WSe ₂ -h) y la otra parte contacta con el Si / SiO ₂ sustrato directamente (WSe ₂ -S). La función de h-BN es aislar la puerta de interfaz (IG) del Si / SiO ₂ sustrato en el WSe ₂ -h. Entonces, la formación de homounión entre WSe ₂ -h y WSe ₂ -S se basa principalmente en que IG modula la polaridad de WSe ₂ -S. El IG es producido por las cargas atrapadas en el SiO ₂ superficie. Esto se discutirá a continuación en detalle. La figura 1b presenta la imagen óptica del dispositivo. Se prepararon cuatro electrodos (E1-E4, Ti / Au) mediante litografía por haz de electrones, metalización y proceso de despegue. El espesor de los materiales se caracteriza por el microscopio de fuerza atómica (AFM) (ver Fig. 1c). La altura de WSe ₂ (h-BN) copos en contacto directo con el Si / SiO ₂ el sustrato (líneas de puntos blancos) se midió como 65 (23) nm (ver Fig. 1d, e). Se puede ver que hay una pendiente en lugar de un escalón brusco en el perfil de altura entre el WSe ₂ (h-BN) y el Si / SiO ₂ sustrato. Esto puede deberse a la fotorresistencia residual en el borde del material. La Figura 1f muestra los espectros Raman de WSe ₂ y copos de h-BN. Para el WSe ₂ , el primer orden E _2g y A _1g Los modos Raman se distinguen claramente ~ 250 cm ⁻¹ , lo que sugiere que WSe ₂ tiene una morfología multicapa [32, 33]. Para h-BN, el pico Raman de E _2g modo a ~ 1370 cm ⁻¹ es observado. Debido a la gran banda prohibida de h-BN, la señal Raman es débil en comparación con la de WSe ₂ [34].

Esquema de un WSe ₂ en el plano homounión. un Estructura del dispositivo. b Imagen óptica del dispositivo. Parte de WSe ₂ entra en contacto con la escama h-BN mientras que la otra parte entra en contacto con Si / SiO ₂ sustrato. c Imagen AFM del dispositivo. Las líneas de puntos blancos indican las posiciones donde el grosor de h-BN (izquierda) y WSe ₂ (derecha) se extraen. Para el canal entre E1 y E2, el ancho (largo) promedio es ~ 19,15 (~ 6,33) μm. Para el canal entre E2 y E3, el ancho (largo) promedio es ~ 23.15 (~ 5) μm. Para el canal entre E3 y E4, el ancho (largo) promedio es ~ 22 (~ 5.38) μm. d , e Perfiles de altura de WSe ₂ y copos de h-BN. f Espectros Raman de WSe ₂ y escamas de h-BN con excitación láser de 532 nm

Para explorar el efecto del sustrato en WSe ₂ , características de transferencia de WSe ₂ -S y WSe ₂ -h se estudiaron por separado. Como se muestra en la Fig. 2a, ambas curvas de transferencia exhiben un comportamiento bipolar y se puede observar una histéresis obvia en la curva de WSe ₂ -S (negro) comparado con el de WSe ₂ -h (rojo). La corriente de WSe ₂ -h es mayor que el de WSe ₂ -S. La pendiente pronunciada en la curva de WSe ₂ -h indica una transconductancia relativamente grande, que es proporcional a la movilidad de la portadora. Para WSe ₂ -S, la histéresis se atribuye a la captura de carga en el SiO ₂ superficie [35,36,37,38]. Cuando V _g se barrió de - 30 a 0 V, el V negativo _g hace que el WSe ₂ poblado con agujeros e introduce algunos agujeros en el SiO ₂ (ver Fig. 2b). Los agujeros atrapados en SiO ₂ generar una puerta local positiva, es decir, IG, para modular el WSe ₂ conductancia a cambio (efecto de agotamiento débil). Por lo tanto, el punto de neutralidad de carga de V _g aparece alrededor de - 5 V. De manera similar, cuando V _g se barrió de 30 a 0 V, el positivo V _g hace que el WSe ₂ poblado de electrones y también conduce algunos electrones al SiO ₂ (ver Fig. 2c). Los electrones atrapados en SiO ₂ generar un IG negativo para modular el WSe ₂ conductancia a cambio (el mismo efecto de agotamiento débil). Entonces, el punto de neutralidad de carga de V _g aparece alrededor de 5 V. Para WSe ₂ -h, el copo de h-BN inhibe la transferencia del portador entre WSe ₂ y SiO ₂ debajo de V _g modulación. Esta es la razón de la histéresis no obvia en el WSe ₂ -h curva. Por lo tanto, se puede formar una homounión en el plano simplemente aprovechando el IG.

Características de transferencia. un yo _d - V _g curvas de WSe ₂ -S (línea negra) y WSe ₂ -h (línea roja). La dirección de barrido de V _g está indicado por las flechas. b , c Explicación física del fenómeno de histéresis. Las flechas indican la dirección del campo eléctrico inducido por V _g . Las esferas roja y azul representan huecos y electrones, respectivamente

La figura 3a muestra la I _d - V _d curvas del dispositivo en condiciones de oscuridad y luz en V _g =0 V. La tensión de fuente-drenaje se aplica a los electrodos E2 y E3 (consulte el recuadro). Puede verse que las corrientes de cortocircuito (en V _d =0 V) ​​aumentan con la potencia incidente, lo que indica un efecto PV. Curiosamente, las curvas también presentan características de PC en V _d =± 1 V. Para el primero, las fotocorrientes se atribuyen a la homounión. Como se muestra en la Fig. 3b, aunque V _d y V _g se establecieron en 0 V, algunos agujeros ya atrapados en SiO ₂ formar un pequeño IG positivo para modular el WSe ₂ -S. Entonces, el n ^- -tipo WSe ₂ -S y WSe intrínseco ₂ -h (sin el efecto de IG debido al aislamiento por escamas de h-BN) constituyen una homounión en el plano. Bajo iluminación, los pares de electrones y huecos fotoexcitados estarán separados por el campo incorporado de la homounión. Aunque yo _d - V _d Las curvas presentan bien la característica de PV con polarización cero, la homounión no mostró un comportamiento de rectificación tal vez debido al campo incorporado relativamente débil en comparación con el V aplicado externamente _d . Para este último, todo el WSe ₂ la escama como fotoconductor responde a la señal de luz con un sesgo alto. Los portadores fotoexcitados serán conducidos a los electrodos por V _d . Por lo tanto, la fotorrespuesta en la Fig. 3a es el resultado del efecto sinérgico de los modos PV y PC. Las respuestas en función de la potencia de la luz para diferentes V _d se resumen en la Fig. 3c, dada por R = yo _ph / PA , donde yo _ph es la fotocorriente, P es la intensidad de potencia y A es el área fotosensible efectiva del detector [39, 40]. Durante el cálculo, el área fotosensible efectiva, es decir, el WSe ₂ parte entre E2 y E3, es 115,75 μm ² . Las respuestas de 1.07 A W ⁻¹ y 2,96 A W ⁻¹ se obtienen para V _d de 0 V y 1 V, respectivamente. La detectividad específica ( D ^* ) como parámetro importante, determina la capacidad de un fotodetector para responder a una señal de luz débil. Suponiendo que el ruido de disparo de la corriente oscura es la principal contribución, D ^* se puede definir como D ^∗ = RA ^1/2 / (2 eI _oscuro ) ^1/2 , donde R es la capacidad de respuesta, A es el área fotosensible efectiva, e es la carga del electrón, y I _oscuro es la corriente oscura [41, 42]. Beneficiándose del I extremadamente bajo _oscuro , D ^* de 3,3 × 10 ¹² jones (1 jones =1 cm Hz ^1/2 W ⁻¹ ) y 1,78 × 10 ¹¹ jones se logran para V _d de 0 V y 1 V, respectivamente. Además, se ha estudiado el tiempo de respuesta como factor clave del mérito. Como se muestra en la Fig. 3d, un estado de corriente alto y bajo adquirido en V _d =0 V se han obtenido con la modulación de luz. La fotorrespuesta transitoria exhibe características altamente estables y reproducibles. La figura 3e muestra un solo ciclo de modulación de respuesta temporal. El tiempo de subida ( t _r ), definido como el tiempo necesario para que la corriente aumente del 10% I _pico al 90% I _pico , resultó ser ~ 106 μs, y el tiempo de caída ( t _f ), definido de forma análoga, resultó ser ~ 91 μs. La Figura S1 muestra la respuesta temporal del dispositivo adquirido en V _d =1 V. t _r y t _f se encontró que eran ~ 105 μs y ~ 101 μs, respectivamente. La Tabla 1 resume el WSe ₂ informado homounión formada por diferentes métodos. Obviamente, el dispositivo en nuestro trabajo tiene un alto D ^* , R comparable y una velocidad de respuesta relativamente rápida. Además, la Figura S2 presenta las características de fotorrespuesta de los otros tres dispositivos. Se pueden observar corrientes PV y PC distintas con polarización cero y alta, respectivamente. La detectividad de todos los WSe ₂ las homouniones son superiores a 10 ¹² jones, y el tiempo de respuesta es de poco más de 100 μs, lo que demuestra que nuestros dispositivos pueden repetir muy bien la fotodetección de alto rendimiento.

Rendimiento de fotorrespuesta de la homounión adquirida entre E2 y E3. un Drene la corriente en función del voltaje fuente-drenador aplicado en los electrodos E2 y E3 (vea el recuadro) con intensidad de potencia de luz variable (637 nm). b Mecanismo de formación de la homounión en V _g =0 V y V _d =0 V. c Responsividad en función de la potencia lumínica. d , e Respuesta temporal del dispositivo adquirido en V _d =0 V para iluminación de 637 nm. Se usó un osciloscopio para monitorear la dependencia del tiempo de la corriente

Las figuras 4a yb presentan la I _d - V _d características de WSe ₂ -h y WSe ₂ -S por separado. Las curvas de WSe ₂ -h y WSe ₂ -S exhibe la propiedad de PC y no hay fotocorriente en el sesgo cero. De hecho, Ti / WSe ₂ Se debe suponer que / Ti forma una estructura de metal / semiconductor / metal que contiene dos uniones Schottky con un campo incorporado opuesto. Entonces, el yo _d - V _d las curvas deben cruzar el punto cero y mostrar un comportamiento de PC. En nuestro caso, debido a las diferentes funciones de trabajo de WSe ₂ -h y WSe ₂ -S, hay dos contactos Schottky asimétricos, es decir, E2 / WSe ₂ -S y E3 / WSe ₂ -h, como se muestra en la Fig. 4c. Con un sesgo cero, la dirección de las fotocorriente netas originadas en las uniones de Schottky es opuesta a la de la homounión, y el resultado del experimento que se muestra en la Fig. 3a es consistente con este último. Por lo tanto, la homounión formada entre WSe ₂ -h y WSe ₂ -S es el motivo de las fotocorriente de cortocircuito.

Efecto de la unión de Schottky sobre la fotorrespuesta. un yo _d - V _d curvas de WSe ₂ -h con voltaje de fuente-drenaje aplicado en los electrodos E3 y E4 (ver el recuadro) bajo iluminación de luz (637 nm). b yo _d - V _d curvas de WSe ₂ -S con voltaje de fuente-drenaje aplicado en los electrodos E1 y E2 (ver el recuadro) bajo iluminación de luz (637 nm). c Diagrama de bandas esquemático del dispositivo de homounión con contactos Schottky asimétricos, es decir, E2 / WSe ₂ -S y E3 / WSe ₂ -h, con sesgo cero

Para demostrar aún más que la fotorrespuesta con sesgo cero se atribuye a la homounión, se investigaron las propiedades de salida midiendo el I _d - V _d curvas del dispositivo con la tensión fuente-drenaje aplicada en los electrodos E1 y E4. Como se muestra en la Figura S3a, las curvas, al igual que la situación en la Figura 3a, también exhiben las características PV y PC. Como se discutió anteriormente, para el primero, las fotocorrientes se atribuyen al campo incorporado de homounión en el plano formado entre WSe ₂ -S y WSe ₂ -h. Para este último, las fotocorrientes se atribuyen a la colección de portadores fotoexcitados por la V aplicada externamente _d . Las respuestas en función de la potencia de la luz para diferentes V _d se resumen en la Figura S3b. Las responsividades (detectividades) de 0.51 A W ⁻¹ (2,21 × 10 ¹² jones) y 3,55 A W ⁻¹ (5,54 × 10 ¹² jones) se obtienen para V _d de 0 V y 1 V, respectivamente. Durante el cálculo, el área fotosensible efectiva, es decir, el WSe ₂ parte entre E1 y E4, es 519,4 μm ² . El tiempo de respuesta medido con polarización cero se muestra en la Figura S3c y 3d, en la que el tiempo de subida es de 289 μs y el tiempo de bajada es de 281 μs. Para el V _d de 1 V (Figura S3e y 3f), el tiempo de subida y bajada son 278 μs y 250 μs, respectivamente. La velocidad de respuesta es un poco más lenta que la medida entre los electrodos E2 y E3, porque el canal conductor relativamente largo aumenta la distancia de transmisión del fotoportador y la probabilidad de interacción entre los fotoportadores y los defectos.