Uitgesproken fotovoltaïsche reactie van meerlaagse MoTe2-fototransistor met asymmetrisch contactformulier

Resultaten en discussie

We fabriceren twee back-gated meerlagige MoTe₂ fototransistoren (D1 en D2) en meten hun fotorespons. Het apparaat wordt geïdentificeerd door een optische microscoop en de bijbehorende MoTe₂ dikte en kwaliteit worden gekarakteriseerd met behulp van atomaire krachtmicroscopie (AFM) en Raman-spectrum. Alle metingen worden uitgevoerd in omgevingscondities. Afbeelding 1a toont de optische afbeelding (links) en AFM-afbeelding (rechts) van D1 (D2 wordt weergegeven in aanvullend bestand 1:Afbeelding S1. De volgende gegevens worden verzameld van D1 tenzij anders aangegeven, en de gegevens van D2 worden weergegeven in aanvullend bestand 1). Het apparaat bestaat uit een bronelektrode, een afvoerelektrode en een kanaalmonster van meerlagig MoTe₂ op SiO₂ /p ⁺ -Si-substraat. SiO₂ film met een dikte van 300 nm is diëlektrisch en p ⁺ -Si werkt als een back-gate-elektrode. De details van D1 worden gekarakteriseerd met behulp van AFM, wat aantoont dat meerlagige MoTe₂ spreidt zich uit over source- en drainelektroden. De kanaallengte is 10 μm. MoTe₂ monster in het kanaal is ongeveer 23 nm dik (hoogteprofiel wordt weergegeven in aanvullend bestand 1:Afbeelding S2) en de breedtes van MoTe₂ -bron en MoTe₂ -afvoercontactdoorsnede zijn respectievelijk 6,5 en 4,8 μm. Afbeelding 1b toont het Raman-spectrum van MoTe₂ steekproef. De kenmerken Raman-actieve modi van A_1g (172 cm ⁻¹ ), E ¹ _2g (233 cm ⁻¹ ), en B ¹ _2g (289 cm ⁻¹ ) worden duidelijk waargenomen, wat de goede kwaliteit van MoTe₂ . bevestigt in het kanaal.

een Optisch beeld en AFM-beeld van meerlagige MoTe₂ fototransistor. De schaalbalken zijn 5 μm. b Raman-spectrum van meerlagige MoTe₂ fototransistor met 514 nm laserexcitatie. c Overdrachtskenmerken en d uitvoerkenmerken van meerlagige MoTe₂ fototransistor

Elektrische meting geeft aan dat meerlagige MoTe₂ fototransistor is van het p-type zoals weergegeven in figuur 1c, die zich in de aan-toestand bevindt bij negatieve poortspanning en in de uit-toestand bij positieve poortspanning. De huidige aan-uit-verhouding is 6,8 × 10 ³ wanneer source-drain spanning V _sd is 1 V. De veldeffectmobiliteit (μ) is 14,8 cm ² /V s volgens overdrachtskenmerken. Bij vooringenomen spanning V _sd neemt af van 1 V tot 100 mV, aan-stroom en uit-stroom nemen beide af, en de aan-uit-verhouding is nog steeds boven 6,0 × 10 ³ , zoals weergegeven in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S3(a) en (b). Wanneer de poortspanning van -20 V naar 20 V en dan terug naar 20 V wordt gebracht, wordt MoTe₂ met meerdere lagen fototransistor vertoont een kleine hysterese (zie aanvullend bestand 1:figuur S3(c)) en luchtstabiele p-type geleiding, die profiteert van het eenvoudige fabricageproces en polymeervrije MoTe₂ steekproef. We fabriceren ook andere meerlaagse MoTe₂ fototransistor met een dikte van respectievelijk 5, 10, 11, 12, 15,7 en 38 nm, zoals weergegeven in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S4. Ze vertonen allemaal een luchtstabiele p-type geleiding. Afbeelding 1d toont de uitvoerkenmerken van meerlagige MoTe₂ transistor als back-gate spanning (V _bg ) varieert van -20 tot 4 V. Zoals te zien is, is de respons in wezen lineair, vooral bij een lage voorspanning van V _sd , wat aangeeft dat er een lage Schottky-barrière is tussen Au en MoTe₂ in de lucht.

Afbeelding 2 toont de fotorespons van meerlagige MoTe₂ fototransistor wanneer deze wordt verlicht door een continue-golflaser van 637 nm in omgevingscondities, die wordt uitgevoerd door de Agilent B1500A-halfgeleideranalysator te combineren met het Lakeshore-sondestation. De grootte van de laservlek is groter dan 200 μm in diameter en het apparaat is bedekt met een uniforme verlichtingsintensiteit. Backgate-afhankelijke en power-afhankelijke fotorespons worden weergegeven in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S5. Zoals weergegeven in figuur 2a, wanneer een back-gate-spanning 0 V is, source-drain-stroom (I _sd ) neemt toe met laservermogen. Ik _sd vs. V _sd curven bij verschillende verlichtingsvermogensniveaus ontmoeten elkaar allemaal bij V _sd = 0 V, wat duidelijk wordt waargenomen in een logaritmische grafiek van |I _sd | getoond in inzet Figuur van Fig. 2a. Wanneer V _bg = 5 V, de fototransistor is uitgeschakeld (zie Fig. 1c) en de stroom van I _sd neemt toe met het laservermogen van de verlichting en vertoont duidelijk niet-lineair gedrag, zoals weergegeven in figuur 2b. Verder toont de fototransistor een nullastspanning (V _OC ) en kortsluitstroom (I _SC ) met laserverlichting, wat het bewijs is van fotovoltaïsche respons van meerlagige MoTe₂ fototransistor. Afbeelding 2c toont V _OC en ik _SC als functie van het verlichtingsvermogen. V _OC blijft ongewijzigd op 50 mV (verlichtingsvermogen is hoger dan 500 μW), en |I _SC | neemt toe van 0 tot 1,6 nA wanneer het laservermogen toeneemt van 0 tot 4175 μW. Wanneer we de spanningsrichting veranderen, V _OC en ik _SC blijven ongewijzigd zoals weergegeven in Fig. 2d. V _sd staat voor de spanning geladen op de bronelektrode en V _ds wordt geladen op de afvoerelektrode en de bijbehorende stroom wordt aangegeven met I _sd en ik _ds , respectievelijk. Afbeelding invoegen in Fig. 2d illustreert de spanning en stroomrichting. Of de spanning nu op de source- of drainelektrode wordt geladen, de V _OC van 50 mV ten opzichte van de bronspanning en bijbehorende I _SC van 680 pA die van de afvoerelektrode naar de bronelektrode stromen, blijven beide ongewijzigd. Dit bevestigt de fotovoltaïsche respons van meerlagige MoTe₂ fototransistor.

Fotorespons van meerlagige MoTe₂ fototransistor verlicht door een laser met een golflengte van 637 nm in omgevingscondities. een Ik _sd vs. V _sd krommen bij V _bg = 0 V naarmate het verlichtingsvermogen toeneemt. b Ik _sd vs. V _sd krommen bij V _bg = 5 V naarmate het verlichtingsvermogen toeneemt. c V _OC en ik _SC als functie van het verlichtingsvermogen. d Uitgangsstroom voor voorgespannen spanning geladen op respectievelijk de source- en drainelektrode

Om het mechanisme van fotorespons te onthullen, met name de fotovoltaïsche respons, voeren we een scanning photocurrent microscopie (SPCM) studie uit, die helpt om de ruimtelijke potentiaalprofielen te verkrijgen en om de ruimtelijk opgeloste fotorespons te analyseren. SPCM wordt uitgevoerd met behulp van een zelfgemaakte scanning fotostroomopstelling in omgevingsconditie. Optische excitatie wordt geleverd door SuperK EXTREME supercontinuum witlichtlaser. De golflengte varieert van 400 tot 2400 nm. De straal, met instelbare golflengte met behulp van SuperK SELECT meerlijnig afstembaar filter, wordt op het apparaat gefocusseerd met behulp van een 20× objectieflens. Een positioneringssysteem voor een galvanometerspiegel wordt gebruikt om de laserstraal het apparaat te laten scannen om fotostroomkaarten te verkrijgen. Het gereflecteerde licht en de fotostroom worden opgenomen met een stroomvoorversterker en een lock-in-versterker met een chopperfrequentie van 1 KHz.

Figuur 3 toont de scanning fotostroom van D1 met een excitatiegolflengte van 1200 nm. De diameter van de laservlek is ongeveer 4,4 μm afgeleid van het reflectiebeeld (zie aanvullend bestand 1:Afbeelding S7). Figuur 3a toont het optische beeld, samen met de elektrische opstelling. Ik _PC metingen worden uitgevoerd in kortsluitingstoestand, waarbij de bronelektrode is geaard en I _PC wordt verzameld van de afvoerelektrode. De stroom die van de source naar de drain-elektrode vloeit, is positief. Afbeelding 3b toont een ruimtelijk opgelost fotostroombeeld verzameld bij de poortspanning (V _bg ) van respectievelijk -5, 0 en 5 V. Het is te zien dat kortsluiting I _PC met tegengestelde polariteiten is sterk in de buurt van de interfaces tussen MoTe₂ en de elektroden. Wanneer V _bg is gewijzigd van − 5 in 0 V, I _PC patroon blijft ongewijzigd, maar de intensiteit neemt af. V _bg wordt verder verhoogd tot 5 V; Ik _PC schakelt niet alleen polariteit, de positie van maximale I _PC beweegt ook weg van de contactinterface en in het kanaal. Afbeelding 3c toont de I _PC profiel genomen van de zwarte stippellijn in Fig. 3b bij V _bg = − 5, 0 en 5 V, respectievelijk. Het laat duidelijk zien dat ik _PC heeft een brede intensiteitspiek nabij het grensvlak tussen MoTe₂ en elektroden bij V _bg = − 5 en 0 V, terwijl de piek naar het kanaal beweegt, dat ongeveer 3 μm verwijderd is van de contactinterface en smaller wordt.

Ruimtelijk opgeloste fotostroombeelden van D1 als functie van poortspanning. een Het optische beeld samen met de elektrische opstelling. b Ruimtelijk opgeloste fotostroomafbeeldingen op V _bg = − 5, 0 en 5 V, respectievelijk. c Ik _PC profiel verzameld uit de zwarte stippellijn in figuur 3b. d Overeenkomstige potentiële profielen bij V _bg = − 5, 0 en 5 V, respectievelijk. De schaalbalken zijn 5 μm in alle figuren

De aanwezigheid van I _PC pieken geeft het bestaan ​​van potentiële stappen in kortsluiting aan. Volgens de ik _PC distributie, plotten we het overeenkomstige potentiaalprofiel langs het apparaatkanaal zoals weergegeven in figuur 3d. Bij V _bg = − 5 en 0 V, de mogelijke stappen bevinden zich in de buurt van de contactinterface tussen MoTe₂ en elektroden, en ze gaan naar het kanaal bij V _bg = 5 V. Volgens de vorige studie [41] introduceert Au-elektrodecontact p-doping en pinnen het Fermi-niveau van MoTe₂ bij contactgedeelte. Zo worden de potentiaalstappen gevormd in de buurt van de elektrode/MoTe₂ interface aangezien het Fermi-niveau in het kanaal wordt gemoduleerd door de poortspanning. Bij V _bg = 0 V, een zwakke I _PC wordt waargenomen, die van de elektrode naar MoTe₂ . stroomt kanaal. Het betekent dat foto-geëxciteerde elektronen naar de nabijgelegen elektrode drijven en gaten naar MoTe₂ kanaal. Bij V _bg = − 5 V, de gatendichtheid in MoTe₂ kanaal wordt versterkt en induceert een grotere potentiële stap in de buurt van de elektrode/MoTe₂ koppel. Foto-geëxciteerde elektron-gatparen kunnen effectief worden gescheiden en I _PC neemt toe. Wanneer V _bg = 5 V, er worden meer elektronen in de MoTe₂ . geïnjecteerd kanaal, en potentiaalbron wordt gevormd in het kanaal. Vanwege de elektrostatica van de elektrode bewegen de potentiële stappen weg van de elektrode en verschijnen ze in het kanaal. De foto-aangeslagen elektronen drijven naar de MoTe₂ kanaal en gaten naar de nabijgelegen elektrode. Ik _PC verandert van richting vergeleken met die bij V _bg = − 5 en 0 V.

Afbeelding 4 toont de ruimtelijk opgeloste I _PC op verschillende V _sd als V _bg =0 en 5 V, respectievelijk. Figuur 4a toont het optische beeld, samen met de elektrische opstelling. V _sd is geladen op de bronelektrode, en I _PC wordt verzameld van de afvoerelektrode. De stroom die van de source naar de drain-elektrode vloeit, is positief. Afbeelding 4b toont I _PC als een functie van V _sd bij V _bg = 0 V. Wanneer V _sd = 0, − 0.01 en 0.01 V, sterk I _PC komt voor in de buurt van MoTe₂ /electrodes interface, dan beweegt het naar het kanaalcentrum als V _sd neemt toe tot 0,1 V. Soortgelijke trend wordt waargenomen bij V _bg = 5 V als V _sd neemt toe zoals weergegeven in Fig. 4c. Afbeelding 4d toont een duidelijke I _PC piek in het midden van het apparaatkanaal als V _sd neemt toe tot 0,5 V. I _PC profielen genomen langs de zwarte stippellijn in figuur 4a worden getoond in figuur 4e, f, die duidelijk de I laten zien _PC variatietrend als V _sd neemt toe. Ze geven allebei het maximale I . aan _PC gegenereerd in de buurt van contactinterface in kortsluitingstoestand of met kleine V _sd bevooroordeeld. Wanneer de vooringenomen spanning wordt verhoogd, beweegt de fotostroompiek naar het midden van het apparaatkanaal.

Ruimtelijk opgeloste fotostroombeelden van D1 als functie van V _sd . een Het optische beeld samen met de elektrische opstelling. b Ruimtelijk opgeloste fotostroomafbeeldingen op V _bg = 0 V en V _sd =0.1, 0.01, 0, 0.01 en 0.1 V, respectievelijk. c Ruimtelijk opgeloste fotostroomafbeeldingen op V _bg = 5 V en V _sd varieert van − 0,1 tot 0,1 V. d Ruimtelijk opgeloste fotostroomafbeeldingen op V _bg = 5 V en V _sd = 0,5 V. e Ik _PC profiel op V _bg = 0 V en f Ik _PC profiel op V _bg = 5 V genomen langs de stippellijn in figuur 4a. De schaalbalken zijn 5 μm in alle figuren

Op basis van deze bevindingen weten we dat de potentiaalstap, gevormd in de buurt van de elektroden/MoTe₂ interface vanwege de doping van de MoTe₂ door de metalen contacten, domineert de scheiding van foto-geëxciteerde elektron-gat-paren in kortsluitingstoestand of met kleine V _sd bevooroordeeld. Dus, ik _PC op MoTe₂ -bron is groter dan die op MoTe₂ -afvoer vanwege de grotere contactinterface op MoTe₂ -source, en de netto stroom is niet nul, terwijl de niet-nul netto stroom kleiner is dan I _sd bij V _bg = − 5 en 0 V (in aan-status), en groter dan die bij V _bg = 5 V (in uitgeschakelde toestand). Daarom observeren we duidelijke I _SC bij V _bg = 5 V zoals weergegeven in figuur 2b en aanvullend bestand 1:figuur S6(b)–(f). Daarom, zowel ik _SC en de bijbehorende V _OC zijn de resultaten van de potentiële stap en asymmetrisch contact. Bovendien fabriceren we een D2-monster met een meer asymmetrische contactdoorsnede, zoals weergegeven in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S1, vergeleken met D1. Het toont een vergelijkbare fotovoltaïsche respons, met V _OC zo hoog als 150 mV wanneer V _bg = 5 V en de golflengte van de verlichtingslaser is 637 nm. Wanneer de golflengte van de verlichting varieert tot 830, 940, 1064 en 1312 nm, vertoont D2 een vergelijkbare fotovoltaïsche respons bij V _bg = 5 V (zie Extra bestand 1:Afbeelding S6 ). We fabriceren ook andere vier apparaten zoals weergegeven in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S8, ze vertonen hetzelfde gedrag als dat is weergegeven in D1 en D2. Deze gegevens bevestigen verder dat fotovoltaïsche respons van meerlagige MoTe₂ fototransistor is een resultaat van de asymmetrische contactdwarsdoorsnede tussen MoTe₂ -bron en MoTe₂ -afvoerelektroden.

Ten slotte testen we de fotoresponstijd en het spectrale bereik van meerlagige MoTe₂ fototransistor. Afbeelding 5a toont de tijdsopgeloste fotostroom bij V _bg = 5 V en V _sd =0 en 1 V, respectievelijk, die worden geregistreerd met een stroomvoorversterker en oscilloscoop. De excitatielaser is een blokgolf met een breedte van 2 ms bij een golflengte van 637 nm. De stromen verzameld onder V _sd = 0 en 1 V tonen de tegenovergestelde richting, wat overeenkomt met de gegevens in Fig. 2b, en is het resultaat van het verschil tussen V _OC en V _sd . De stijgtijd en daaltijd van fotorespons worden gedefinieerd als de tijd tussen 10 en 90% van de totale fotostroom. Zoals te zien is, is de stijgtijd \( \left({\tau}_{\mathrm{rise}}^0\right) \) 20 μs en de valtijd \( \left(\ {\tau}_{\mathrm {fall}}^0\ \right) \) is 127 μs op V _sd = 0 V, en de stijgtijd \( \left({\tau}_{\mathrm{rise}}^1\right) \) is 210 μs en de daaltijd \( \left({\tau}_{\ mathrm{fall}}^1\right) \) is 302 μs op V _sd = 1 V, die beide groter zijn dan die bij V _sd = 0 V. Dit komt door het verschillende mechanisme voor het genereren van fotostroom. Bij V _sd = 0 V, de door potentiaal gedomineerde fotostroom wordt gegenereerd in de buurt van elektrode/MoTe₂ koppel. Bij V _sd = 1 V, de fotostroom wordt gegenereerd in het apparaatkanaal en de foto-geëxciteerde dragers moeten door het kanaal gaan om bij de elektrode te komen, wat langer duurt dan de opwekking nabij de elektrode/MoTe₂ koppel. Het apparaat toont dus een langere fotoresponstijd bij V _sd = 1 V dan die bij V _sd = 0 V. Naast het werken op de zichtbare band, is een meerlagige MoTe₂ fototransistor heeft fotorespons op de nabij-infrarode band. Figuur 5b laat zien dat de fotorespons kan worden uitgebreid van 1200 tot 1550 nm. Optische excitatie, geleverd door SuperK EXTREME supercontinuum witlichtlaser, wordt gefocust op het midden van het apparaatkanaal met behulp van een 20 × objectieflens met een puntdiameter van 4,4 m. De gegevens geven aan dat MoTe₂ . met meerdere lagen fototransistor kan worden gebruikt in de communicatieband.

Fotoresponstijd en spectraal bereik van meerlagige MoTe₂ fototransistor. een Tijdsopgeloste fotostroom bij V _bg = 5 V en V _sd = 0 V (zwarte lijn) en 1 V (rode lijn), respectievelijk. b Fotorespons bij verschillende foto-excitatiegolflengten