Interface-Induced WSe2 In-plane Homojunction untuk Deteksi Foto Performa Tinggi

Hasil dan Diskusi

Gambar 1a menunjukkan skema WSe dalam bidang₂ homojungsi. Dapat dilihat bahwa bagian dari WSe₂ serpihan ditempatkan pada serpihan h-BN (WSe₂ -h) dan bagian lainnya menghubungi Si/SiO₂ substrat secara langsung (WSe₂ -S). Fungsi h-BN adalah untuk mengisolasi interface gate (IG) dari Si/SiO₂ substrat pada WSe₂ -H. Jadi, pembentukan homojunction antara WSe₂ -h dan WSe₂ -S terutama bergantung pada IG yang memodulasi polaritas WSe₂ -S. IG dihasilkan oleh muatan yang terperangkap di SiO₂ permukaan. Ini akan dibahas di bawah ini secara rinci. Gambar 1b menyajikan gambar optik perangkat. Empat elektroda (E1-E4, Ti/Au) dibuat dengan litografi berkas elektron, metalisasi, dan proses pengangkatan. Ketebalan bahan dicirikan oleh mikroskop gaya atom (AFM) (lihat Gambar 1c). Ketinggian WSe₂ (h-BN) serpihan yang bersentuhan langsung dengan Si/SiO₂ substrat (garis putus-putus putih) diukur sebagai 65 (23) nm (lihat Gambar. 1d, e). Dapat dilihat bahwa ada kemiringan, bukan langkah tajam di profil ketinggian antara WSe₂ (h-BN) dan Si/SiO₂ substrat. Ini mungkin karena photoresist sisa di tepi material. Gambar 1f menunjukkan spektrum Raman dari WSe₂ dan serpihan h-BN. Untuk WSe₂ , pesanan pertama E_2g dan A_1g Mode Raman dibedakan dengan jelas ~ 250 cm ⁻¹ , menyarankan bahwa WSe₂ memiliki morfologi multilayer [32, 33]. Untuk h-BN, puncak Raman E_2g mode pada ~ 1370 cm ⁻¹ diamati. Karena celah pita h-BN yang besar, sinyal Raman lemah dibandingkan dengan sinyal di WSe₂ [34].

Skema WSe dalam pesawat₂ homojungsi. a Struktur perangkat. b Gambar optik perangkat. Bagian dari WSe₂ menghubungi h-BN flake sedangkan bagian lainnya menghubungi Si/SiO₂ substrat. c Gambar AFM perangkat. Garis putus-putus putih menunjukkan posisi ketebalan h-BN (kiri) dan WSe₂ (kanan) diekstraksi. Untuk saluran antara E1 dan E2, lebar (panjang) rata-rata adalah ~ 19,15 (~ 6,33) m. Untuk saluran antara E2 dan E3, lebar (panjang) rata-rata adalah ~ 23,15 (~ 5) m. Untuk saluran antara E3 dan E4, lebar (panjang) rata-rata adalah ~ 22 (~ 5,38) m. d , e Profil tinggi WSe₂ dan serpihan h-BN. f Spektrum Raman dari WSe₂ dan serpihan h-BN dengan eksitasi laser 532 nm

Untuk mengeksplorasi efek substrat pada WSe₂ , karakteristik transfer WSe₂ -S dan WSe₂ -h dipelajari secara terpisah. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 2a, kedua kurva transfer menunjukkan perilaku bipolar dan histeresis yang jelas dapat diamati pada kurva WSe₂ -S (hitam) dibandingkan dengan WSe₂ -h (merah). Arus WSe₂ -h lebih tinggi dari WSe₂ -S. Kemiringan curam di tikungan WS₂ -h menunjukkan transkonduktansi yang relatif besar, yang sebanding dengan mobilitas pembawa. Untuk WSe₂ -S, histeresis dikaitkan dengan perangkap muatan di SiO₂ permukaan [35,36,37,38]. Ketika V _g disapu dari 30 ke 0 V, V negative negatif _g membuat WSe₂ diisi dengan lubang dan mendorong beberapa lubang ke dalam SiO₂ (lihat Gambar 2b). Lubang yang terperangkap di SiO₂ menghasilkan gerbang lokal positif, yaitu, IG, untuk memodulasi WSe₂ konduktansi sebagai imbalannya (efek deplesi lemah). Oleh karena itu, titik netralitas muatan V _g muncul di sekitar 5 V. Demikian pula, ketika V _g disapu dari 30 ke 0 V, V positive positif _g membuat WSe₂ diisi dengan elektron dan juga mendorong beberapa elektron ke dalam SiO₂ (lihat Gambar 2c). Elektron yang terperangkap dalam SiO₂ menghasilkan IG negatif untuk memodulasi WSe₂ konduktansi sebagai imbalannya (efek penipisan lemah yang sama). Jadi, titik netralitas muatan V _g muncul sekitar 5 V. Untuk WSe₂ -h, serpihan h-BN menghambat transfer pembawa antara WSe₂ dan SiO₂ di bawah V _g modulasi. Inilah alasan histeresis yang tidak jelas di WSe₂ -h kurva. Oleh karena itu, homojunction dalam bidang dapat dibentuk hanya dengan memanfaatkan IG.

Karakteristik perpindahan. a Aku _d -V _g kurva WSe₂ -S (garis hitam) dan WSe₂ -h (garis merah). Arah sapuan V _g ditunjukkan oleh panah. b , c Penjelasan fisik untuk fenomena histeresis. Panah menunjukkan arah medan listrik yang diinduksi oleh V _g . Bola merah dan biru masing-masing mewakili lubang dan elektron

Gambar 3a menunjukkan I _d -V _d kurva perangkat dalam kondisi gelap dan terang di V _g =0 V Tegangan source-drain diterapkan pada elektroda E2 dan E3 (lihat inset). Dapat dilihat bahwa arus hubung singkat (pada V _d =0 V) meningkat dengan daya insiden, menunjukkan efek PV. Menariknya, kurva juga menampilkan karakteristik PC di V _d =± 1 V. Untuk yang pertama, arus foto dikaitkan dengan homojunction. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b, meskipun V _d dan V _g diatur pada 0 V, beberapa lubang sudah terperangkap di SiO₂ bentuk IG positif kecil untuk memodulasi WSe₂ -S. Jadi, n ^- -ketik WSe₂ -S dan WSe intrinsik₂ -h (tanpa efek IG karena isolasi oleh serpihan h-BN) merupakan homojunction dalam bidang. Di bawah iluminasi, pasangan lubang elektron yang terfotoeksitasi akan dipisahkan oleh medan homojunction bawaan. Meskipun Aku _d -V _d kurva menyajikan karakteristik PV dengan baik pada bias nol, homojunction tidak menunjukkan perilaku penyearah mungkin karena medan bawaan yang relatif lemah dibandingkan dengan V yang diterapkan secara eksternal _d . Untuk yang terakhir, seluruh WSe₂ serpihan sebagai fotokonduktor merespon sinyal cahaya pada bias tinggi. Pembawa photoexcited akan didorong ke elektroda oleh V _d . Oleh karena itu, respon foto pada Gambar 3a adalah hasil dari efek sinergis mode PV dan PC. Responsivitas sebagai fungsi dari kekuatan cahaya untuk V different yang berbeda _d diringkas dalam Gambar. 3c, diberikan oleh R =Aku _ph /PA , di mana Aku _ph adalah arus foto, P adalah intensitas kekuatan, dan A adalah area fotosensitif efektif dari detektor [39, 40]. Selama perhitungan, area fotosensitif efektif, yaitu WSe₂ bagian antara E2 dan E3, adalah 115,75 μm ² . Responsivitas 1,07 A W ⁻¹ dan 2,96 A W ⁻¹ diperoleh untuk V _d 0 V dan 1 V, masing-masing. Deteksi spesifik (D ^* ) sebagai parameter penting menentukan kemampuan fotodetektor untuk merespon sinyal cahaya yang lemah. Dengan asumsi bahwa suara tembakan dari arus gelap adalah kontribusi utama, D ^* dapat didefinisikan sebagai D ^∗ =RA ^1/2 /(2eI _gelap ) ^1/2 , di mana R adalah responsivitas, A adalah area fotosensitif yang efektif, e adalah muatan elektron, dan I _gelap adalah arus gelap [41, 42]. Manfaat dari I yang sangat rendah _gelap , D ^* dari 3,3 × 10 ¹² jones (1 jones =1 cm Hz ^1/2 W ⁻¹ ) dan 1,78 × 10 ¹¹ jones tercapai untuk V _d 0 V dan 1 V, masing-masing. Selain itu, waktu respons sebagai tokoh kunci prestasi telah dipelajari. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3d, keadaan arus tinggi dan rendah diperoleh pada V _d =0 V telah diperoleh dengan modulasi cahaya. Fotorespons sementara menunjukkan karakteristik yang sangat stabil dan dapat direproduksi. Gambar 3e memberikan satu siklus modulasi respon temporal. Waktu terbit (t _r ), didefinisikan sebagai waktu yang diperlukan arus untuk naik dari 10% I _puncak hingga 90% Aku _puncak , ditemukan ~ 106 μs, dan waktu jatuh (t _f ), didefinisikan secara analog, ditemukan ~91 μs. Gambar S1 menunjukkan respons temporal perangkat yang diperoleh di V _d =1 V. t _r dan t _f ditemukan masing-masing ~105 μs dan ~ 101s. Tabel 1 merangkum WSe₂ . yang dilaporkan homojunction dibentuk dengan metode yang berbeda. Jelas, perangkat dalam pekerjaan kami memiliki D high yang tinggi ^* , sebanding R , dan kecepatan respons yang relatif cepat. Selain itu, Gambar S2 menyajikan karakteristik fotorespons dari tiga perangkat lainnya. Arus PV dan PC yang berbeda dapat diamati masing-masing pada bias nol dan tinggi. Deteksi semua WSe₂ homojunction lebih tinggi dari 10 ¹² jones, dan waktu responsnya sedikit lebih dari 100 detik, membuktikan bahwa perangkat kami dapat mengulangi deteksi foto performa tinggi dengan sangat baik.

Kinerja photoresponse dari homojunction yang diperoleh antara E2 dan E3. a Arus pengurasan sebagai fungsi tegangan sumber-penguras yang diterapkan pada elektroda E2 dan E3 (lihat sisipan) dengan intensitas daya cahaya variabel (637 nm). b Mekanisme pembentukan homojunction di V _g =0 V dan V _d =0 V. c Responsivitas sebagai fungsi daya cahaya. d , e Respons sementara perangkat diperoleh di V _d =0 V untuk penerangan 637 nm. Osiloskop digunakan untuk memantau ketergantungan waktu dari arus

Gambar 4a dan b menunjukkan I _d -V _d karakteristik WSe₂ -h dan WSe₂ -S secara terpisah. Kurva kedua WSe₂ -h dan WSe₂ -S menunjukkan properti PC, dan tidak ada arus foto pada bias nol. Faktanya, Ti/WSe₂ /Ti seharusnya membentuk struktur logam/semikonduktor/logam yang berisi dua sambungan Schottky dengan medan built-in yang berlawanan. Jadi, Aku _d -V _d kurva harus melintasi titik nol dan menunjukkan perilaku PC. Dalam kasus kami, karena fungsi kerja yang berbeda dari WSe₂ -h dan WSe₂ -S, ada dua kontak Schottky asimetris, yaitu, E2/WSe₂ -S dan E3/WSe₂ -h, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4c. Pada bias nol, arah arus foto neto yang berasal dari persimpangan Schottky berlawanan dengan arah homojungsi, dan hasil percobaan yang ditunjukkan pada Gambar 3a konsisten dengan yang terakhir. Oleh karena itu, homojunction terbentuk antara WSe₂ -h dan WSe₂ -S adalah alasan untuk arus foto hubung singkat.

Pengaruh persimpangan Schottky pada respons foto. a Aku _d -V _d kurva WSe₂ -h dengan tegangan sumber-penguras diterapkan pada elektroda E3 dan E4 (lihat inset) di bawah penerangan cahaya (637 nm). b Aku _d -V _d kurva WSe₂ -S dengan tegangan source-drain yang diterapkan pada elektroda E1 dan E2 (lihat inset) di bawah penerangan cahaya (637 nm). c Diagram pita skema perangkat homojunction dengan kontak Schottky asimetris, mis., E2/WSe₂ -S dan E3/WSe₂ -h, pada bias nol

Untuk mendemonstrasikan lebih lanjut bahwa respons foto pada bias nol dikaitkan dengan homojunction, sifat keluaran diselidiki melalui pengukuran I _d -V _d kurva perangkat dengan tegangan sumber-pengurasan diterapkan pada elektroda E1 dan E4. Seperti ditunjukkan pada Gambar S3a, kurva, sama seperti situasi pada Gambar 3a, juga menunjukkan karakteristik PV dan PC. Seperti dibahas di atas, untuk yang pertama, arus foto dikaitkan dengan bidang built-in homojunction dalam bidang yang terbentuk antara WSe₂ -S dan WSe₂ -H. Untuk yang terakhir, arus foto dikaitkan dengan kumpulan pembawa fotoeksitasi oleh V yang diterapkan secara eksternal _d . Responsivitas sebagai fungsi dari kekuatan cahaya untuk V different yang berbeda _d diringkas dalam Gambar S3b. Responsivitas (deteksi) 0,51 A W ⁻¹ (2,21 × 10 ¹² jones) dan 3,55 A W ⁻¹ (5,54 × 10 ¹² jones) diperoleh untuk V _d 0 V dan 1 V, masing-masing. Selama perhitungan, area fotosensitif efektif, yaitu WSe₂ bagian antara E1 dan E4, adalah 519,4 μm ² . Waktu respons yang diukur pada bias nol ditunjukkan pada Gambar S3c dan 3d, di mana waktu naik adalah 289 μs dan waktu jatuh adalah 281 μs. Untuk V _d dari 1 V (Gambar S3e dan 3f), waktu naik dan turun masing-masing adalah 278 μs dan 250s. Kecepatan respons sedikit lebih lambat daripada yang diukur antara elektroda E2 dan E3, karena saluran konduktif yang relatif panjang meningkatkan jarak transmisi pembawa foto dan kemungkinan interaksi antara pembawa foto dan cacat.