Respons Fotovoltaik yang Diucapkan dari Fototransistor MoTe2 Berlapis-lapis dengan Formulir Kontak Asimetris

Hasil dan Diskusi

Kami membuat dua MoTe multi-lapisan back-gated₂ phototransistors (D1 dan D2) dan mengukur photoresponse mereka. Perangkat diidentifikasi oleh mikroskop optik, dan MoTe yang sesuai₂ ketebalan dan kualitas dikarakterisasi menggunakan mikroskop gaya atom (AFM) dan spektrum Raman. Semua pengukuran dilakukan dalam kondisi sekitar. Gambar 1a menunjukkan gambar optik (kiri) dan gambar AFM (kanan) dari D1 (D2 ditampilkan di File tambahan 1:Gambar S1. Data berikut dikumpulkan dari D1 kecuali ditentukan lain, dan data dari D2 ditampilkan di File tambahan 1). Perangkat terdiri dari elektroda sumber, elektroda pembuangan, dan sampel saluran MoTe berlapis-lapis₂ pada SiO₂ /p ⁺ -Si substrat. SiO₂ film dengan ketebalan 300 nm adalah dielektrik, dan p ⁺ -Si bekerja sebagai elektroda gerbang belakang. Detail D1 dikarakterisasi menggunakan AFM, yang menunjukkan bahwa MoTe berlapis-lapis₂ mengangkangi sumber dan menguras elektroda. Panjang saluran adalah 10 μm. MoTe₂ sampel di saluran setebal sekitar 23 nm (profil tinggi ditampilkan di File tambahan 1:Gambar S2), dan lebar MoTe₂ -source dan MoTe₂ -penampang kontak saluran pembuangan masing-masing adalah 6,5 dan 4,8 μm. Gambar 1b menunjukkan spektrum Raman dari MoTe₂ Sampel. Karakteristik mode Raman-aktif dari A_1g (172 cm ⁻¹ ), E ¹ _2g (233 cm ⁻¹ ), dan B ¹ _2g (289 cm ⁻¹ ) diamati dengan jelas, memastikan kualitas MoTe₂ . yang baik di saluran.

a Gambar optik dan gambar AFM dari MoTe berlapis-lapis₂ fototransistor. Bilah skala adalah 5 μm. b Spektrum Raman dari MoTe berlapis-lapis₂ fototransistor dengan eksitasi laser 514-nm. c Karakteristik transfer dan d karakteristik keluaran MoTe berlapis-lapis₂ fototransistor

Pengukuran listrik menunjukkan bahwa MoTe berlapis-lapis₂ fototransistor adalah tipe-p seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1c, yang dalam keadaan aktif pada tegangan gerbang negatif dan dalam keadaan tidak aktif pada tegangan gerbang positif. Rasio hidup-mati saat ini adalah 6,8 × 10 ³ ketika tegangan sumber-drain V _sd adalah 1 V. Mobilitas efek medan (μ) adalah 14,8 cm ² /V s sesuai dengan karakteristik transfer. Saat tegangan bias V _sd menurun dari 1 V menjadi 100 mV, arus aktif dan arus tidak aktif keduanya menurun, dan rasio hidup-mati masih di atas 6,0 × 10 ³ , seperti yang ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar S3(a) dan (b). Saat tegangan gerbang disapu dari 20 ke 20 V lalu kembali ke 20 V, MoTe berlapis-lapis₂ phototransistor menunjukkan histeresis kecil (lihat File tambahan 1:Gambar S3(c)) dan konduktansi tipe-p yang stabil di udara, yang diuntungkan dari proses fabrikasi sederhana dan MoTe bebas polimer₂ Sampel. Kami juga membuat MoTe berlapis-lapis lainnya₂ phototransistor dengan ketebalan masing-masing 5, 10, 11, 12, 15.7, dan 38 nm, seperti yang ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar S4. Mereka semua menunjukkan konduktansi tipe-p yang stabil di udara. Gambar 1d menunjukkan karakteristik keluaran MoTe berlapis-lapis₂ transistor sebagai tegangan gerbang belakang (V _bg ) bervariasi dari 20 hingga 4 V. Seperti yang terlihat, respons pada dasarnya linier, terutama pada tegangan bias rendah V _sd , yang menunjukkan bahwa ada penghalang Schottky yang rendah antara Au dan MoTe₂ di udara.

Gambar 2 menunjukkan respons foto MoTe berlapis-lapis₂ phototransistor ketika disinari oleh laser gelombang kontinu 637 nm dalam kondisi sekitar, yang dilakukan dengan menggabungkan penganalisis semikonduktor Agilent B1500A dengan stasiun probe Lakeshore. Ukuran titik laser berdiameter lebih besar dari 200 μm, dan perangkat ditutupi dengan intensitas penerangan yang seragam. Respons foto yang bergantung pada backgate dan bergantung pada daya ditampilkan di File tambahan 1:Gambar S5. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a, ketika tegangan gerbang belakang adalah 0 V, arus penguras sumber (I _sd ) meningkat dengan kekuatan laser. Aku _sd vs. V _sd kurva pada tingkat daya iluminasi yang berbeda semuanya bertemu di V _sd = 0 V, yang terlihat jelas dalam plot logaritmik |I _sd | ditunjukkan pada sisipan Gambar pada Gambar. 2a. Ketika V _bg = 5 V, fototransistor dalam keadaan mati (lihat Gbr. 1c), dan arus I _sd meningkat dengan kekuatan laser iluminasi, menunjukkan perilaku nonlinier yang jelas, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b. Selanjutnya, fototransistor menunjukkan tegangan rangkaian terbuka bukan nol (V _OC ) dan arus hubung singkat (I _SC ) dengan iluminasi laser, yang merupakan bukti respons fotovoltaik dari MoTe berlapis-lapis₂ fototransistor. Gambar 2c menunjukkan V _OC dan Aku _SC sebagai fungsi daya iluminasi. V _OC tetap tidak berubah pada 50 mV (daya iluminasi lebih tinggi dari 500 μW), dan |I _SC | meningkat dari 0 menjadi 1,6 nA saat daya laser meningkat dari 0 menjadi 4175 μW. Saat kita mengubah arah tegangan, V _OC dan Aku _SC tetap tidak berubah seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2d. V _sd mewakili tegangan yang dimuat pada elektroda sumber dan V _ds dimuat pada elektroda pembuangan, dan arus yang sesuai ditunjukkan oleh I _sd dan Aku _ds , masing-masing. Sisipkan gambar pada Gbr. 2d menggambarkan arah tegangan dan arus. Baik tegangan dimuat pada elektroda sumber atau saluran pembuangan, V _OC 50 mV relatif terhadap tegangan sumber dan I . yang sesuai _SC dari 680 pA yang mengalir dari elektroda pembuangan ke elektroda sumber keduanya tetap tidak berubah. Ini menegaskan respons fotovoltaik dari MoTe berlapis-lapis₂ fototransistor.

Respons foto dari MoTe berlapis-lapis₂ phototransistor diterangi oleh laser panjang gelombang 637-nm dalam kondisi ambien. a Aku _sd vs. V _sd kurva di V _bg = 0 V saat daya iluminasi meningkat. b Aku _sd vs. V _sd kurva di V _bg = 5 V saat daya iluminasi meningkat. c V _OC dan Aku _SC sebagai fungsi daya iluminasi. d Arus keluaran untuk tegangan bias yang dimuat pada elektroda sumber dan saluran pembuangan, masing-masing

Untuk mengungkap mekanisme respons foto, terutama respons fotovoltaik, kami melakukan studi pemindaian mikroskop arus foto (SPCM), yang membantu mendapatkan profil potensi spasial dan menganalisis respons foto yang diselesaikan secara spasial. SPCM dilakukan menggunakan pengaturan arus foto pemindaian buatan sendiri dalam kondisi sekitar. Eksitasi optik disediakan oleh laser cahaya putih superkontinum SuperK EXTREME. Panjang gelombangnya berkisar antara 400 hingga 2400 nm. Sinar, dengan panjang gelombang yang dapat disesuaikan menggunakan filter merdu multi-baris SuperK SELECT, difokuskan pada perangkat menggunakan lensa objektif 20×. Sistem pemosisian cermin galvanometer digunakan untuk membuat sinar laser memindai perangkat untuk mendapatkan peta arus foto. Cahaya yang dipantulkan dan arus foto direkam dengan preamplifier saat ini dan amplifier lock-in pada frekuensi chopper 1 KHz.

Gambar 3 menunjukkan arus foto pemindaian D1 dengan panjang gelombang eksitasi 1200 nm. Diameter titik laser sekitar 4,4 μm yang berasal dari gambar pantulan (lihat File tambahan 1:Gambar S7). Gambar 3a menunjukkan gambar optik, bersama dengan penyiapan listrik. Aku _PC pengukuran dilakukan dalam kondisi hubung singkat, di mana elektroda sumber diarde dan I _PC dikumpulkan dari elektroda pembuangan. Arus yang mengalir dari elektroda sumber ke elektroda penguras adalah positif. Gambar 3b menunjukkan gambar arus foto resolusi spasial yang dikumpulkan pada tegangan gerbang (V _bg ) dari 5, 0, dan 5 V, masing-masing. Dapat dilihat bahwa korsleting I _PC dengan polaritas yang berlawanan kuat di sekitar antarmuka antara MoTe₂ dan elektroda. Ketika V _bg diubah dari 5 menjadi 0 V, I _PC pola tetap tidak berubah tetapi intensitasnya berkurang. V _bg selanjutnya ditingkatkan menjadi 5 V; Aku _PC tidak hanya mengubah polaritas, posisi maksimum I _PC juga bergerak menjauh dari antarmuka kontak dan masuk ke saluran. Gambar 3c menunjukkan I _PC profil diambil dari garis putus-putus hitam pada Gambar. 3b di V _bg = − 5, 0, dan 5 V, masing-masing. Ini dengan jelas menunjukkan bahwa Saya _PC memiliki puncak intensitas yang luas di dekat antarmuka antara MoTe₂ dan elektroda di V _bg = − 5 dan 0 V, sedangkan puncak bergerak ke saluran, yang berjarak sekitar 3 μm dari antarmuka kontak dan menjadi lebih sempit.

Gambar arus foto yang diselesaikan secara spasial dari D1 sebagai fungsi dari tegangan gerbang. a Gambar optik bersama dengan pengaturan listrik. b Gambar foto saat ini dengan resolusi spasial di V _bg = − 5, 0, dan 5 V, masing-masing. c Aku _PC profil yang dikumpulkan dari garis putus-putus hitam pada Gambar 3b. d Profil potensial yang sesuai di V _bg = − 5, 0, dan 5 V, masing-masing. Bilah skala adalah 5 μm untuk semua angka

Kehadiran Aku _PC puncak menunjukkan adanya langkah potensial dalam kondisi hubung singkat. Menurut Aku _PC distribusi, kami memplot profil potensial yang sesuai di sepanjang saluran perangkat seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3d. Di V _bg = − 5 dan 0 V, langkah-langkah potensial berada di dekat antarmuka kontak antara MoTe₂ dan elektroda, dan mereka pindah ke saluran di V _bg = 5 V. Menurut penelitian sebelumnya [41], kontak elektroda Au memperkenalkan p-doping dan menyematkan tingkat Fermi MoTe₂ di bagian kontak. Dengan demikian, langkah potensial terbentuk di sekitar elektroda/MoTe₂ antarmuka sebagai tingkat Fermi di saluran dimodulasi oleh tegangan gerbang. Di V _bg = 0 V, I yang lemah _PC diamati, yang mengalir dari elektroda ke MoTe₂ saluran. Ini berarti elektron terfotoeksitasi melayang ke elektroda terdekat dan lubang ke MoTe₂ saluran. Di V _bg = − 5 V, kerapatan lubang di MoTe₂ saluran ditingkatkan dan menginduksi langkah potensial yang lebih besar di sekitar elektroda/MoTe₂ antarmuka. Pasangan lubang elektron terfotoeksitasi dapat dipisahkan secara efektif dan I _PC meningkat. Ketika V _bg = 5 V, lebih banyak elektron yang disuntikkan ke MoTe₂ saluran, dan sumur potensial terbentuk di saluran. Karena elektrostatik elektroda, langkah potensial menjauh dari elektroda dan muncul di saluran. Elektron terfotoeksitasi melayang ke MoTe₂ saluran dan lubang menuju elektroda terdekat. Aku _PC berubah arah dibandingkan dengan yang di V _bg = − 5 dan 0 V.

Gambar 4 menunjukkan penyelesaian spasial I _PC di V . yang berbeda _sd sebagai V _bg = 0 dan 5 V, masing-masing. Gambar 4a menunjukkan gambar optik, bersama dengan penyiapan listrik. V _sd dimuat pada elektroda sumber, dan I _PC dikumpulkan dari elektroda pembuangan. Arus yang mengalir dari elektroda sumber ke elektroda penguras adalah positif. Gambar 4b menunjukkan Saya _PC sebagai fungsi dari V _sd di V _bg = 0 V. Kapan V _sd = 0, 0,01, dan 0,01 V, kuat I _PC terjadi di sekitar MoTe₂ /electrodes interface, kemudian bergerak menuju pusat saluran sebagai V _sd meningkat menjadi 0,1 V. Tren serupa diamati pada V _bg = 5 V sebagai V _sd meningkat seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4c. Gambar 4d menunjukkan I . yang jelas _PC puncak di tengah saluran perangkat sebagai V _sd meningkat menjadi 0,5 V. I _PC profil yang diambil di sepanjang garis putus-putus hitam pada Gambar. 4a ditunjukkan pada Gambar. 4e, f, yang dengan jelas menunjukkan I _PC tren variasi sebagai V _sd meningkat. Keduanya menunjukkan maksimum I _PC dihasilkan di sekitar antarmuka kontak dalam kondisi hubung singkat atau dengan V . kecil _sd bias. Saat tegangan bias dinaikkan, puncak arus foto bergerak menuju pusat saluran perangkat.

Gambar arus foto resolusi spasial D1 sebagai fungsi V _sd . a Gambar optik bersama dengan pengaturan listrik. b Gambar foto saat ini dengan resolusi spasial di V _bg = 0 V dan V _sd = − 0,1, 0,01, 0, 0,01, dan 0,1 V, masing-masing. c Gambar foto saat ini dengan resolusi spasial di V _bg = 5 V dan V _sd bervariasi dari 0,1 hingga 0,1 V. d Gambar foto saat ini dengan resolusi spasial di V _bg = 5 V dan V _sd = 0,5 V. e Aku _PC profil di V _bg = 0 V dan f Aku _PC profil di V _bg = 5 V diambil sepanjang garis putus-putus pada Gambar. 4a. Bilah skala adalah 5 μm untuk semua angka

Berdasarkan temuan ini, kita tahu bahwa langkah potensial, terbentuk di sekitar elektroda/MoTe₂ antarmuka karena doping MoTe₂ oleh kontak logam, mendominasi pemisahan pasangan lubang elektron terfotoeksitasi dalam kondisi hubung singkat atau dengan V kecil _sd bias. Jadi, Aku _PC di MoTe₂ -sumber lebih besar dari yang ada di MoTe₂ -kuras karena antarmuka kontak yang lebih besar di MoTe₂ -sumber, dan arus bersih tidak nol, sedangkan arus bersih bukan nol lebih kecil dari I _sd di V _bg = − 5 dan 0 V (dalam keadaan aktif), dan lebih besar dari pada V _bg = 5 V (dalam keadaan tidak aktif). Oleh karena itu, kami mengamati dengan jelas Saya _SC di V _bg = 5 V seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b dan File tambahan 1:Gambar S6(b)–(f). Oleh karena itu, keduanya saya _SC dan yang sesuai V _OC adalah hasil dari langkah potensial dan kontak asimetris. Selanjutnya, kami membuat sampel D2 dengan penampang kontak yang lebih asimetris, seperti yang ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar S1, dibandingkan dengan D1. Ini menunjukkan respons fotovoltaik yang serupa, dengan V _OC setinggi 150 mV saat V _bg = 5 V dan panjang gelombang laser iluminasi adalah 637 nm. Ketika panjang gelombang iluminasi bervariasi hingga 830, 940, 1064, dan 1312 nm, D2 menunjukkan respons fotovoltaik yang serupa pada V _bg = 5 V (lihat File tambahan 1:Gambar S6 ). Kami juga membuat empat perangkat lainnya seperti yang ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar S8, perangkat tersebut menunjukkan perilaku yang serupa dengan yang ditunjukkan pada D1 dan D2. Data ini lebih lanjut mengkonfirmasi bahwa respons fotovoltaik dari MoTe berlapis-lapis₂ phototransistor adalah hasil dari penampang kontak asimetris antara MoTe₂ -source dan MoTe₂ -menguras elektroda.

Terakhir, kami menguji waktu respons foto dan rentang spektral MoTe berlapis-lapis₂ fototransistor. Gambar 5a menunjukkan arus foto yang diselesaikan dengan waktu di V _bg = 5 V dan V _sd = 0 dan 1 V, masing-masing, yang direkam menggunakan preamplifier dan osiloskop saat ini. Laser eksitasi adalah gelombang persegi dengan lebar 2 ms pada panjang gelombang 637 nm. Arus yang dikumpulkan di bawah V _sd = 0 dan 1 V menunjukkan arah yang berlawanan, yang konsisten dengan data yang diberikan pada Gambar. 2b, dan merupakan hasil dari perbedaan antara V _OC dan V _sd . Waktu naik dan waktu turun fotorespons didefinisikan sebagai waktu antara 10 dan 90% dari total arus foto. Seperti yang terlihat, waktu naik \( \left({\tau}_{\mathrm{naik}}^0\kanan) \) adalah 20 s dan waktu turun \( \left(\ {\tau}_{\mathrm {fall}}^0\ \right) \) adalah 127 μs di V _sd = 0 V, dan waktu naik \( \left({\tau}_{\mathrm{naik}}^1\kanan) \) adalah 210 μs dan waktu jatuh \( \left({\tau}_{\ mathrm{fall}}^1\right) \) adalah 302 μs di V _sd = 1 V, yang keduanya lebih besar dari pada V _sd = 0 V. Ini karena mekanisme pembangkitan arus foto yang berbeda. Di V _sd = 0 V, arus foto yang didominasi langkah potensial dihasilkan di sekitar elektroda/MoTe₂ antarmuka. Di V _sd = 1 V, arus foto dihasilkan di saluran perangkat, dan pembawa fotoeksitasi harus melalui saluran untuk tiba di elektroda, yang membutuhkan waktu lebih lama daripada pembangkitan di dekat elektroda/MoTe₂ antarmuka. Dengan demikian, perangkat menunjukkan waktu respons foto yang lebih lama pada V _sd = 1 V dari itu di V _sd = 0 V. Selain bekerja pada pita yang terlihat, MoTe berlapis-lapis₂ phototransistor memiliki respon foto pada pita inframerah-dekat. Gambar 5b menunjukkan bahwa respons fotonya dapat diperpanjang dari 1200 hingga 1550 nm. Eksitasi optik, yang disediakan oleh laser cahaya putih superkontinum SuperK EXTREME, difokuskan pada pusat saluran perangkat menggunakan lensa objektif 20× dengan diameter titik 4,4 μm. Data menunjukkan bahwa MoTe berlapis-lapis₂ phototransistor dapat digunakan dalam pita komunikasi.

Waktu respons foto dan rentang spektral MoTe berlapis-lapis₂ fototransistor. a Arus foto dengan resolusi waktu di V _bg = 5 V dan V _sd = 0 V (garis hitam) dan 1 V (garis merah), masing-masing. b Respons foto pada panjang gelombang fotoeksitasi yang berbeda