港中文许建斌小组Nano Energy：界面工程增强石墨烯基范德华异质结光伏效应

【引言】

基于石墨烯和其他二维（2D）材料的光电探测器通常在光电导模式或光电二极管模式下工作。受益于石墨烯（graphene）通道的超高增益，其光电导器件通常具有极高的光响应度，但也因此伴随着暗电流大，功耗高和低频噪声偏大等问题。另一方面基于二维材料的光电二极管，其范德华异质结不仅可以有效地抑制暗电流，同时也是潜在的自供电高性能光电探测器。然而，石墨烯与其他二维材料构建的异质结由于其界面处光生载流子的复合作用，其在零偏压下光伏效应往往受到明显抑制，从而影响其光电性能。因此，通过器件结构设计，如何提升该异质结在零偏压下的光伏电流具有非常重要的研究意义。

【成果简介】

近日，香港中文大学许建斌教授课题组和韩国东国大学和成均馆大学的合作者在Nano Energy上发表题为Restoring the Photovoltaic Effect in Graphene-based van der Waals Heterojunctions towards Self-Powered High-Detectivity Photodetectors的文章。该研究发现二硫化钼（MoS₂）/Graphene光电二极管中零偏压光电流的损失源于界面处光生载流子的层间耦合。通过将原子级薄的六方氮化硼（h-BN）膜引入二硫化钼/石墨烯界面，零偏压下MoS₂/Graphene界面处的层间载流子复合可以被有效阻挡，而光生空穴则通过量子隧穿实现层间传输。此方法可使多层MoS₂/Graphene异质结的短路光电流增加超过三个数量级。基于该机制构建的多层MoS₂/h-BN/Graphene光电探测器在零偏压下具有很高的光电转换效率（外量子效率超过80％），较高的明暗电流比（超过1000）和较高的探测度（基于白噪声的理论特定探测度为5.9 × 10¹⁴琼斯， 实际环境中测量的特定探测度为6.7 × 10¹⁰琼斯） 。此类通过界面修饰提高光伏效应的方法为基于石墨烯的自供电光电探测的应用提供了新的器件设计方案。

【图文简介】

图1 MoS₂/h-BN/Graphene器件的制备过程及拉曼光谱表征

（a）MoS₂/h-BN/Graphene异质结器件的制备过程

（b）MoS₂/h-BN/Graphene异质结器件示意图

（c）Graphene和h-bn/Graphene异质结的拉曼特征光谱

图2 MoS₂/h-BN/graphene器件与MoS₂/graphene光电二极管的性能对比与能带分析

（a，b）MoS₂ /graphene光电二极管和MoS₂/h-BN/graphene器件在黑暗和光照下的I_DS-V_DS传输曲线的对数图（插图显示相应的线性图。入射光能量均为2.32μW，波长为532nm）。

（c，d）零偏压下MoS₂/graphene光电二极管和MoS₂ /h-BN/graphene器件在黑暗和光照下的能带示意图

（e，f）负偏压下MoS₂ /graphene光电二极管和MoS₂/h-BN/graphene器件在黑暗和光照下的能带示意图

分别表示载流子漂移，层间耦合和载流子隧穿

图3 用荧光光谱证明界面处的层间耦合及h-BN插层对该层间耦合的阻挡效应

单层MoS₂，单层MoS2/h-BN/graphene三层结构和单层MoS₂/graphene异质结的光致发光光谱的对比。

图4 对零偏压附近光生空穴主宰的隧穿光电流的电学表征

（a）黑暗条件下MoS₂/h-BN/graphene器件在不同栅极电压（V_g）下的差分电阻

（b）光照条件下MoS₂/h-BN/graphene器件在不同栅极电压（V_g）下的差分电阻（入射光功率：32μW，波长：532nm）

（c）Vg = -60V时的净光电流。

（d）栅极电压为零时器件的光响应度与偏置电压的关系。

图5 MoS₂/h-BN/graphene隧穿光电二极管的探测灵敏度及噪声分析

（a）MoS₂/h-BN/graphene隧穿光电二极管在零偏压和负一伏偏压时的电流噪声密度谱, 紫色实线是对1 / f噪声趋势的参考.

（b）负电压偏置下测得的噪声等效功率（NEP）和的特定探测度。

【小结】

综上所述，作者发现MoS₂/graphene光电二极管中的零偏置光电流的损失源于界面处光生载流子的层间耦合，而单层h-BN的插入可以有效地阻挡层间耦合并因此恢复其光伏效应。基于多层MoS₂/h-BN/graphene范德华异质结的自供电隧穿光电二极管在532nm照射下，展现出较高的光响应及特定探测度。该工作为制造基于石墨烯的高性能2D自供电光电探测器提供了新的途径。

文章链接：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. )

本文由材料人香港中文大学许建斌教授课题组供稿，编辑部编辑。

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