伦敦学院大学刘会赟-巫江研究团队和苏州大学邹贵付研究团队合作开发的高性能二硫化钼/玻璃-石墨烯堆叠异质结光电探测器

【引言】

 自从2004年石墨烯问世以来，其优异的光电性能受到研究者的广泛关注。由此而带动了一系列的二维材料（黑磷、氮化硼和过渡金属硫化物等）的发展。但是大部分二维材料在应用时都面临着一些问题，如石墨烯的零带隙限制了其在光电领域的应用；单元素二维材料的不稳定性限制其应用；尽管过渡金属硫化物具有直接带隙但是其低迁移率仍然限制了其应用。

  2016年苏州大学邹贵付教授研究团队开发了一种大尺寸、超平整、导电的玻璃石墨烯薄膜（Science Advances, 2016,2 e1601574）。事实上，与单晶石墨烯和非晶玻璃碳不同，玻璃-石墨烯薄膜是一种表面平整的独特二维碳纳米片，它具有高透明性、高传导性、柔性和稳定性好等优势。因此，这种新的玻璃-石墨烯薄膜为原始石墨烯在许多应用领域注入了新的血液。然而，该种新型的玻璃-石墨烯薄膜与其他二维材料的异质结特性的研究仍然知之甚少。

【成果简介】

近期，伦敦学院大学刘会赟-巫江研究团队和苏州大学邹贵付研究团队合作在Adv. Mater.上发表了一篇题为“High Detectivity and Transparent Few-Layer MoS₂/Glassy-Graphene Heterostructure Photodetectors”的文章。该研究就是将新型的玻璃石墨烯与二硫化钼结合形成异质结，首次报道了透明的玻璃石墨烯与二硫化钼光电探测器件。在532 nm光照射下，该器件的响应度高达12.3 mA W^-1，探测率1.8×10¹⁰琼斯。

【成果简介】

图1：MoS₂/G-Graphene(MGHs)异质结光电器件的制备过程及其器件示意图

(a). 少层MoS₂/G-Graphene异质结光电器件的制备过程；

(b-c). 少层MoS₂/G-Graphene异质结光电器件的实物图和示意图。

图2：MoS₂/G-Graphene(MGHs)异质结的材料表征

(a-b). MoS₂和G-Graphene的高分辨率透射电镜图；

(c). 显微镜下MoS₂/G-Graphene异质结的光学图片；

(d). MoS₂/G-Graphene异质结的AFM图；

(e). MoS₂和G-Graphene的拉曼光谱。

图3：不同光照条件下光电探测器的光响应性能表征

(a-b). 在AM 1.5G照射下，3层和9层MoS₂对应的MGHs光电探测器的I-V曲线；

(c-d). 3层和9层MoS₂对应的MGHs光电探测器分别在405、532和656 nm的单色光照射的I-V曲线； 

图4：石墨烯的缺陷态

(a-d). 原始石墨烯(a)，拥有1级、2级、最大SW缺陷态G-石墨烯的晶格阵列；

(e-h). a-d对应的缺陷态密度。

图5：石墨烯的能带结构，与MoS₂/graphene异质结的能带图

(a-c). 原始石墨烯(a)，拥有1级、2级SW缺陷态G-石墨烯的能带结构；

(d). MoS₂/graphene异质结的顶视图；

(e). MoS₂/graphene-(2)异质结在外部电场下的功函数和费米能级；

(f). MoS₂/graphene异质结的能带图

图6：MoS₂/graphene异质结电荷势差异

(a-b). MoS₂/graphene 和MoS₂/graphene-(2)异质结的电荷势差异顶视图；

(c-d). MoS₂/graphene 和MoS₂/graphene-(2)异质结的电荷势差异侧视图。

图7：不同光照条件下光探测器的光响应和时间分辨光响应

(a-b). 3层(a)和9层(b)MoS₂对应的MGHs光电探测器分别在405、532和656 nm的单色光照射的光响应特性；

(c-d). 3层(c)和9层(d)MoS₂对应的MGHs光电探测器分别在405、532和656 nm的瞬态光响应曲线；

(e).1 V偏压，656nm 光照下，3层和9层MoS₂对应的MGHs光电探测器的光电流随光强的变化曲线。

【小结】

该研究首次构建了较高探测率的MoS₂/G-grahene (MGHs)异质结光电探测器。该研究利用MoS₂与石墨烯的欧姆接触代替了传统的二维材料与金属结合的肖特基接触，显著的提升了器件的电荷转移特性，其中拥有三层MoS₂的光电器件其响应度达到12.3 mA W^-1,探测率达到1.8×10¹⁰。

文献链接：High Detectivity and Transparent Few-Layer MoS₂/Glassy-Graphene Heterostructure Photodetectors (Adv. Mater. 2017, DOI: 10.1002/adma.201706561)

本文由材料人编辑部新能源学术组金也供稿，材料牛编辑整理。

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