Ausgeprägte Photovoltaik-Antwort von mehrschichtigem MoTe2-Phototransistor mit asymmetrischem Kontaktformular

Hintergrund

Graphen und ähnliche zweidimensionale (2D) Materialien existieren in Bulk-Form als Stapel stark verbundener Schichten mit schwacher Anziehung zwischen den Schichten, die sich in einzelne, atomar dünne Schichten auflösen lassen, was neue Möglichkeiten für die Erforschung der 2D-Physik eröffnet hat sowie die der neuen Materialanwendungen [1,2,3,4,5,6,7,8,9]. Von ihnen Halbleiter-Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDs) mit der gemeinsamen Formel MX₂ , wobei M für ein Übergangsmetall der Gruppe VI (M =Mo, W) und X für ein Chalkogenelement (S, Se, Te) steht, weisen beträchtliche Bandlücken auf [2, 3, 10, 11]. Darüber hinaus sind diese 2D-TMD-Flakes flexibel und frei von baumelnden Bindungen zwischen benachbarten Schichten [12, 13]. Diese einzigartigen Eigenschaften machen TMDs zu vielversprechenden Kandidaten für den Bau elektronischer und optoelektronischer Bauelemente [2,3,4, 14,15,16,17], wie beispielsweise eines Feldeffekttransistors (FET) der nächsten Generation bei sub-10 nm [18] , Leuchtdioden auf dem Chip [19,20,21] und Van-der-Waals-Heterostruktur-Bauelemente [4, 5].

Molybdänditellurid vom 2H-Typ (2H-MoTe₂ .) ) ist eine der typischen 2D-TMDs, die eine indirekte Bandlücke von 0,83 eV in Bulkform [22] und eine direkte Bandlücke von 1,1 eV hat, wenn sie zu einer Monoschicht verdünnt wird [23]. 2H-MoTe₂ wurde für Anwendungen in der Spintronik [24], FET [25,26,27], Photodetektoren [28,29,30,31,32] und Solarzellen [33] untersucht. Elektrische Metallkontakte wie die meisten 2D-Materialien mit 2H-MoTe₂ spielen eine wichtige Rolle bei der Realisierung leistungsstarker elektronischer und optoelektronischer Geräte. Mit geeigneten Kontaktmaterialien [34,35,36,37,38,39,40] lassen sich nachweislich p- und n-Kontaktdotierungen und Ohm-Kontakte realisieren, die wiederum zu konstruieren funktionelle Geräte wie photovoltaische Photodetektoren [37, 38] und Dioden [37]. Bisher konzentrierte sich der Forschungsschwerpunkt auf die Bewertung und Untersuchung von Metall-Halbleiter-Kontakten durch den Vergleich verschiedener Elektrodenmaterialien, jedoch wurde dem vertieften Vergleich von Metall-Halbleiter-Kontaktformen, beispielsweise gleichem Kontaktmaterial mit asymmetrischen Kontaktquerschnitt.

In dieser Studie stellen wir luftstabiles mehrschichtiges MoTe₂ . vom p-Typ her Fototransistor mit asymmetrischem Kontaktquerschnitt zwischen MoTe₂ -source und MoTe₂ -Drain-Elektroden und untersuchen ihre Photoantwort unter Verwendung von scannendem Photostrom bei verschiedenen Gate- und Source-Drain-Spannungen. Diese Studie hilft, die räumlichen Potenzialprofile aufzudecken und die Auswirkungen des Kontakts im Gerät zu analysieren. Experimentelle Daten zeigen, dass das Gerät im Kurzschlusszustand und photovoltaischer Reaktion einen Netto-Photostrom ungleich Null aufweist. Das Scannen der Photostromkarte zeigt, dass in der Nähe der Kontaktschnittstelle im Kurzschlusszustand oder bei geringer Source-Drain-Spannung (V _sd ) vorgespannt, was darauf hinweist, dass die Potentialstufen in der Nähe der Elektroden gebildet werden/MoTe₂ Schnittstelle aufgrund der Dotierung des MoTe₂ durch die Metallkontakte. Bei Vorspannung V _sd steigt über die Potentialstufe, V _sd dominiert die Trennung von photoangeregten Elektron-Loch-Paaren und Photostrom (I _PC = ich _sd − I _dunkel ) Peak erscheint in der Mitte des Gerätekanals. Dies zeigt den asymmetrischen Kontaktquerschnitt zwischen MoTe₂ -source und MoTe₂ -Drain-Elektroden ist der Grund für die Bildung von Nettostrom- und Photovoltaikreaktionen ungleich Null. Diese Erkenntnis ist hilfreich, um photovoltaische Photodetektoren mit geringem Stromverbrauch zu konstruieren. Schließlich testen wir den zeitaufgelösten und wellenlängenabhängigen Photostrom von MoTe₂ Fototransistor, erreicht eine Reaktionszeit von weniger als einer Millisekunde und stellt fest, dass sein Spektralbereich bis zum Infrarotende von 1550 nm erweitert werden kann.

Ergebnisse und Diskussion

Wir fertigen zwei hintergatterte mehrschichtige MoTe₂ Phototransistoren (D1 und D2) und messen deren Photoantwort. Das Gerät wird durch ein optisches Mikroskop identifiziert und das entsprechende MoTe₂ Dicke und Qualität werden mit Rasterkraftmikroskopie (AFM) und Raman-Spektrum charakterisiert. Alle Messungen werden unter Umgebungsbedingungen durchgeführt. Abbildung 1a zeigt das optische Bild (links) und das AFM-Bild (rechts) von D1 (D2 wird in der zusätzlichen Datei 1 angezeigt:Abbildung S1. Die folgenden Daten werden von D1 erfasst, sofern nicht anders angegeben, und die Daten von D2 werden in der zusätzlichen Datei angezeigt 1). Das Gerät besteht aus Source-Elektrode, Drain-Elektrode und Kanalprobe aus mehrschichtigem MoTe₂ auf SiO₂ /p ⁺ -Si-Substrat. SiO₂ Film mit einer Dicke von 300 nm ist dielektrisch und p ⁺ -Si arbeitet als Back-Gate-Elektrode. Die Details von D1 werden mit AFM charakterisiert, was zeigt, dass mehrschichtiges MoTe₂ überbrückt Source- und Drain-Elektroden. Die Kanallänge beträgt 10 μm. MoTe₂ Die Probe im Kanal ist etwa 23 nm dick (Höhenprofil ist in Zusatzdatei 1:Abbildung S2 dargestellt) und die Breiten von MoTe₂ -source und MoTe₂ -Drain-Kontaktquerschnitt beträgt 6,5 bzw. 4,8 μm. Abbildung 1b zeigt das Raman-Spektrum von MoTe₂ Probe. Die Eigenschaften Raman-aktiver Modi von A_1g (172 cm ⁻¹ ), E ¹ _2g (233 cm ⁻¹ ) und B ¹ _2g (289 cm ⁻¹ ) werden deutlich beobachtet, was die gute Qualität von MoTe₂ . bestätigt im Kanal.

a Optisches Bild und AFM-Bild von mehrschichtigem MoTe₂ Fototransistor. Die Maßstabsbalken betragen 5 μm. b Raman-Spektrum von mehrschichtigem MoTe₂ Fototransistor mit 514-nm-Laseranregung. c Übertragungseigenschaften und d Ausgangseigenschaften von mehrschichtigem MoTe₂ Fototransistor

Die elektrische Messung zeigt, dass mehrschichtiges MoTe₂ Der Fototransistor ist vom p-Typ, wie in Fig. 1c gezeigt, der sich bei negativer Gatespannung im eingeschalteten Zustand und bei positiver Gatespannung im ausgeschalteten Zustand befindet. Das aktuelle Ein-Aus-Verhältnis beträgt 6.8 × 10 ³ wenn Source-Drain-Spannung V _sd beträgt 1 V. Die Feldeffektmobilität (μ) beträgt 14,8 cm ² /V s nach Übertragungsmerkmalen. Bei Vorspannung V _sd von 1 V auf 100 mV sinkt, sowohl der Ein- als auch der Aus-Strom nehmen ab und das Ein-Aus-Verhältnis liegt immer noch über 6,0 × 10 ³ , wie in Zusatzdatei 1 gezeigt:Abbildung S3(a) und (b). Wenn die Gatespannung von – 20 auf 20 V und dann zurück auf – 20 V gewobbelt wird, wird mehrschichtiges MoTe₂ Fototransistor zeigt eine kleine Hysterese (siehe zusätzliche Datei 1:Abbildung S3(c)) und eine luftstabile p-Leitfähigkeit, die vom einfachen Herstellungsprozess und dem polymerfreien MoTe₂ . profitiert Probe. Wir fertigen auch andere mehrschichtige MoTe₂ Fototransistor mit einer Dicke von 5, 10, 11, 12, 15,7 bzw. 38 nm, wie in Zusatzdatei 1 gezeigt:Abbildung S4. Sie alle zeigen eine luftstabile p-Leitfähigkeit. Abbildung 1d zeigt die Ausgabeeigenschaften des mehrschichtigen MoTe₂ Transistor als Back-Gate-Spannung (V _bg ) variiert von − 20 bis 4 V. Wie zu sehen ist, ist die Reaktion im Wesentlichen linear, insbesondere bei einer niedrigen Vorspannung von V _sd , was auf eine niedrige Schottky-Barriere zwischen Au und MoTe hinweist₂ in der Luft.

Abbildung 2 zeigt die Photoreaktion von mehrschichtigem MoTe₂ Fototransistor, wenn er von einem 637-nm-Dauerstrichlaser in Umgebungsbedingungen beleuchtet wird, was durch die Kombination des Agilent B1500A Halbleiteranalysators mit der Lakeshore-Sondenstation durchgeführt wird. Die Laserspotgröße hat einen Durchmesser von mehr als 200 μm und das Gerät wird mit einer gleichmäßigen Beleuchtungsintensität abgedeckt. Backgate-abhängige und stromabhängige Photoreaktion sind in Zusätzliche Datei 1 dargestellt:Abbildung S5. Wie in Abb. 2a gezeigt, kann bei einer Back-Gate-Spannung von 0 V der Source-Drain-Strom (I _sd ) nimmt mit der Laserleistung zu. Ich _sd vs. V _sd Kurven bei unterschiedlichen Beleuchtungsstärken treffen sich alle bei V _sd = 0 V, was deutlich in einer logarithmischen Auftragung von |I . beobachtet wird _sd | in der Einfügefigur von Fig. 2a gezeigt. Wenn V _bg = 5 V, der Fototransistor ist im Sperrzustand (siehe Abb. 1c) und der Strom von I _sd steigt mit der Beleuchtungslaserleistung an und zeigt ein klares nichtlineares Verhalten, wie in Abb. 2b gezeigt. Darüber hinaus zeigt der Fototransistor eine Leerlaufspannung ungleich null (V _OK ) und Kurzschlussstrom (I _SC ) mit Laserbeleuchtung, was ein Beweis für die photovoltaische Reaktion von mehrschichtigem MoTe₂ . ist Fototransistor. Abbildung 2c zeigt V _OK und ich _SC als Funktion der Beleuchtungsstärke. V _OK bleibt unverändert bei 50 mV (Beleuchtungsleistung ist höher als 500 μW) und |I _SC | steigt von 0 auf 1,6 nA, wenn die Laserleistung von 0 auf 4175 μW steigt. Wenn wir die Spannungsrichtung ändern, V _OK und ich _SC unverändert bleiben, wie in Abb. 2d gezeigt. V _sd stellt die Spannung dar, die an der Quellenelektrode belastet wird, und V _ds wird auf die Drain-Elektrode geladen und der entsprechende Strom wird durch I . angezeigt _sd und ich _ds , bzw. Das Einfügebild in Abb. 2d veranschaulicht die Spannungs- und Stromrichtung. Unabhängig davon, ob die Spannung an der Source- oder Drain-Elektrode anliegt, die V _OK von 50 mV relativ zur Quellenspannung und entsprechendem I _SC von 680 pA, die von der Drain-Elektrode zur Source-Elektrode fließen, bleiben beide unverändert. Dies bestätigt die photovoltaische Reaktion von mehrschichtigem MoTe₂ Fototransistor.

Photoreaktion von mehrschichtigem MoTe₂ Fototransistor, der von einem Laser mit einer Wellenlänge von 637 nm unter Umgebungsbedingungen beleuchtet wird. a Ich _sd vs. V _sd Kurven bei V _bg = 0 V mit zunehmender Beleuchtungsleistung. b Ich _sd vs. V _sd Kurven bei V _bg = 5 V mit zunehmender Beleuchtungsleistung. c V _OK und ich _SC als Funktion der Beleuchtungsstärke. d Ausgangsstrom für die an der Source- bzw. Drain-Elektrode belastete Vorspannung

Um den Mechanismus der Photoantwort, insbesondere die photovoltaische Antwort, aufzudecken, führen wir eine Scanning-Photostrom-Mikroskopie (SPCM)-Studie durch, die hilft, die räumlichen Potentialprofile zu erhalten und die ortsaufgelöste Photoantwort zu analysieren. SPCM wird unter Verwendung eines hausgemachten Scanning-Photostrom-Setups unter Umgebungsbedingungen durchgeführt. Die optische Anregung erfolgt durch den SuperK EXTREME Superkontinuum-Weißlichtlaser. Seine Wellenlänge reicht von 400 bis 2400 nm. Der Strahl mit einstellbarer Wellenlänge mit abstimmbarem Mehrzeilenfilter SuperK SELECT wird mit einem 20-fach-Objektiv auf das Gerät fokussiert. Ein Galvanometer-Spiegelpositionierungssystem wird verwendet, um den Laserstrahl das Gerät scannen zu lassen, um Photostromkarten zu erhalten. Das reflektierte Licht und der Fotostrom werden mit einem Stromvorverstärker und einem Lock-In-Verstärker bei einer Chopperfrequenz von 1 KHz aufgezeichnet.

Abbildung 3 zeigt den scannenden Photostrom von D1 mit einer Anregungswellenlänge von 1200 nm. Der Durchmesser des Laserflecks beträgt etwa 4,4 μm, abgeleitet aus dem Reflexionsbild (siehe zusätzliche Datei 1:Abbildung S7). Abbildung 3a zeigt das optische Bild zusammen mit dem elektrischen Aufbau. Ich _PC Messungen werden im Kurzschlusszustand durchgeführt, in dem die Quellenelektrode geerdet ist und I _PC wird von der Drain-Elektrode gesammelt. Der von der Source- zur Drain-Elektrode fließende Strom ist positiv. Abbildung 3b zeigt ein ortsaufgelöstes Fotostrombild, das bei der Gatespannung (V _bg ) von − 5, 0 bzw. 5 V. Es ist zu sehen, dass der Kurzschluss I _PC mit entgegengesetzter Polarität ist in der Nähe der Grenzflächen zwischen MoTe₂ . stark und die Elektroden. Wenn V _bg von − 5 auf 0 V geändert wird, I _PC Muster bleibt unverändert, aber die Intensität nimmt ab. V _bg wird weiter auf 5 V erhöht; Ich _PC wechselt nicht nur die Polarität, sondern auch die Position des maximalen I _PC bewegt sich auch von der Kontaktschnittstelle weg und in den Kanal hinein. Abbildung 3c zeigt das I _PC Profil aus der schwarzen gestrichelten Linie in Abb. 3b bei V _bg = − 5, 0 bzw. 5 V. Es zeigt deutlich, dass ich _PC hat einen breiten Intensitätspeak nahe der Grenzfläche zwischen MoTe₂ und Elektroden bei V _bg = − 5 und 0 V, während der Peak in den Kanal wandert, der etwa 3 μm von der Kontaktschnittstelle entfernt ist und schmaler wird.

Ortsaufgelöste Photostrombilder von D1 als Funktion der Gatespannung. a Das optische Bild zusammen mit dem elektrischen Aufbau. b Ortsaufgelöste Fotostrombilder bei V _bg = − 5, 0 bzw. 5 V. c Ich _PC Profil gesammelt von der schwarzen gestrichelten Linie in Abb. 3b. d Entsprechende Potenzialprofile bei V _bg = − 5, 0 bzw. 5 V. Die Maßstabsbalken betragen in allen Abbildungen 5 μm

Die Anwesenheit von Ich _PC Peaks weist auf das Vorhandensein potenzieller Stufen im Kurzschlusszustand hin. Nach dem Ich _PC Verteilung zeichnen wir das entsprechende Potenzialprofil entlang des Gerätekanals, wie in Abb. 3d gezeigt. Bei V _bg = − 5 und 0 V, die Potenzialstufen befinden sich in der Nähe der Kontaktschnittstelle zwischen MoTe₂ und Elektroden, und sie bewegen sich mit V . in den Kanal _bg = 5 V. Gemäß der vorherigen Studie [41] führt der Kontakt der Au-Elektrode p-Dotierung ein und fixiert das Fermi-Niveau von MoTe₂ am Kontaktteil. Somit werden die Potentialstufen in der Nähe der Elektrode/MoTe₂ . gebildet Schnittstelle, da der Fermi-Pegel im Kanal durch die Gate-Spannung moduliert wird. Bei V _bg = 0 V, ein schwaches I _PC beobachtet wird, der von der Elektrode zum MoTe₂ . fließt Kanal. Dies bedeutet, dass photoangeregte Elektronen zur nahegelegenen Elektrode und Löcher zu MoTe₂ . driften Kanal. Bei V _bg = − 5 V, die Lochdichte in MoTe₂ Kanal wird verstärkt und induziert einen größeren Potentialsprung in der Nähe der Elektrode/MoTe₂ Schnittstelle. Photoangeregte Elektron-Loch-Paare können effektiv getrennt werden und I _PC steigt. Wenn V _bg = 5 V, mehr Elektronen werden in das MoTe₂ injiziert Kanal, und eine Potentialmulde wird in dem Kanal gebildet. Aufgrund der Elektrostatik der Elektrode bewegen sich die Potentialstufen von der Elektrode weg und erscheinen im Kanal. Die photoangeregten Elektronen driften zum MoTe₂ Kanal und Löcher in Richtung der nahegelegenen Elektrode. Ich _PC ändert die Richtung im Vergleich zu der bei V _bg = − 5 und 0 V.

Abbildung 4 zeigt das ortsaufgelöste I _PC an verschiedenen V _sd als V _bg = 0 bzw. 5 V. Abbildung 4a zeigt das optische Bild zusammen mit dem elektrischen Aufbau. V _sd auf die Quellelektrode geladen wird und I _PC wird von der Drainelektrode gesammelt. Der von der Source- zur Drain-Elektrode fließende Strom ist positiv. Abbildung 4b zeigt I _PC als Funktion von V _sd bei V _bg = 0 V. Wenn V _sd = 0, − 0,01 und 0,01 V, starkes I _PC tritt in der Nähe von MoTe₂ auf /Elektroden-Schnittstelle, dann bewegt es sich in Richtung des Kanalzentrums als V _sd steigt auf 0,1 V. Ein ähnlicher Trend wird bei V . beobachtet _bg = 5 V als V _sd erhöht sich, wie in Abb. 4c gezeigt. Abbildung 4d zeigt ein deutliches I _PC Spitze in der Mitte des Gerätekanals als V _sd erhöht sich auf 0,5 V. I _PC Profile entlang der schwarzen gestrichelten Linie in Abb. 4a sind in Abb. 4e, f gezeigt, die deutlich das I . zeigen _PC Variationstrend als V _sd steigt. Beide geben das Maximum an I _PC erzeugt in der Nähe der Kontaktschnittstelle im Kurzschlusszustand oder bei kleinen V _sd voreingenommen. Wenn die Vorspannung erhöht wird, bewegt sich die Photostromspitze in Richtung der Mitte des Gerätekanals.

Ortsaufgelöste Photostrombilder von D1 als Funktion von V _sd . a Das optische Bild zusammen mit dem elektrischen Aufbau. b Ortsaufgelöste Fotostrombilder bei V _bg = 0 V und V _sd = − 0,1, 0,01, 0, 0,01 bzw. 0,1 V. c Ortsaufgelöste Fotostrombilder bei V _bg = 5 V und V _sd variiert von − 0,1 bis 0,1 V. d Ortsaufgelöste Fotostrombilder bei V _bg = 5 V und V _sd = 0,5 V. e Ich _PC Profil bei V _bg = 0 V und f Ich _PC Profil bei V _bg = 5 V entlang der gestrichelten Linie in Fig. 4a. Die Maßstabsbalken betragen in allen Abbildungen 5 μm

Aufgrund dieser Erkenntnisse wissen wir, dass die in der Nähe der Elektroden gebildete Potentialstufe/MoTe₂ Schnittstelle aufgrund der Dotierung des MoTe₂ durch die Metallkontakte, dominiert die Trennung photoangeregter Elektron-Loch-Paare im Kurzschlusszustand oder bei kleinem V _sd voreingenommen. Also, ich _PC bei MoTe₂ -source ist größer als bei MoTe₂ -Drain durch die größere Kontaktschnittstelle bei MoTe₂ -source, und der Nettostrom ist nicht Null, während der Nicht-Null-Nettostrom kleiner als I . ist _sd bei V _bg = − 5 und 0 V (im eingeschalteten Zustand) und größer als bei V _bg = 5 V (im ausgeschalteten Zustand). Daher beobachten wir klares Ich _SC bei V _bg = 5 V wie in Abb. 2b und Zusatzdatei 1 gezeigt:Abbildung S6(b)–(f). Daher sind sowohl ich _SC und das entsprechende V _OK sind die Ergebnisse der Potentialstufe und des asymmetrischen Kontakts. Darüber hinaus fertigen wir D2-Probe mit einem asymmetrischeren Kontaktquerschnitt, wie in Zusätzliche Datei 1:Abbildung S1 gezeigt, im Vergleich zu D1. Es zeigt eine ähnliche photovoltaische Reaktion mit V _OK bis zu 150 mV bei V _bg = 5 V und die Wellenlänge des Beleuchtungslasers beträgt 637 nm. Wenn die Beleuchtungswellenlänge auf 830, 940, 1064 und 1312 nm variiert, zeigt D2 eine ähnliche photovoltaische Reaktion bei V _bg = 5 V (siehe Zusatzdatei 1:Abbildung S6 ). Wir stellen auch andere vier Geräte her, wie in Zusätzliche Datei 1 gezeigt:Abbildung S8. Sie zeigen ein ähnliches Verhalten wie in D1 und D2 gezeigt. Diese Daten bestätigen weiter, dass die photovoltaische Reaktion von mehrschichtigem MoTe₂ Fototransistor entsteht durch den asymmetrischen Kontaktquerschnitt zwischen MoTe₂ -source und MoTe₂ - Elektroden ablassen.

Schließlich testen wir die Photoreaktionszeit und den Spektralbereich von mehrschichtigem MoTe₂ Fototransistor. Abbildung 5a zeigt den zeitaufgelösten Photostrom bei V _bg = 5 V und V _sd = 0 bzw. 1 V, die mit einem Stromvorverstärker und einem Oszilloskop aufgezeichnet werden. Der Anregungslaser ist eine Rechteckwelle mit einer Breite von 2 ms bei einer Wellenlänge von 637 nm. Die unter V collected gesammelten Ströme _sd = 0 und 1 V zeigen die entgegengesetzte Richtung, was mit den in Abb. 2b angegebenen Daten übereinstimmt und sich aus der Differenz zwischen V . ergibt _OK und V _sd . Die Anstiegszeit und Abfallzeit der Photoreaktion sind definiert als die Zeit zwischen 10 und 90% des gesamten Photostroms. Wie man sieht, beträgt die Anstiegszeit \( \left({\tau}_{\mathrm{rise}}^0\right) \) 20 μs und die Abfallzeit \( \left(\ {\tau}_{\mathrm {fall}}^0\ \right) \) beträgt 127 μs bei V _sd = 0 V, und die Anstiegszeit \( \left({\tau}_{\textrm{rise}}^1\right) \) beträgt 210 μs und die Abfallzeit \( \left({\tau}_{\ mathrm{fall}}^1\right) \) beträgt 302 μs bei V _sd = 1 V, die beide größer sind als bei V _sd = 0 V. Dies ist auf den unterschiedlichen Mechanismus der Photostromerzeugung zurückzuführen. Bei V _sd = 0 V, der potentielle stufendominierte Photostrom wird in der Nähe der Elektrode/MoTe₂ . erzeugt Schnittstelle. Bei V _sd = 1 V, der Photostrom wird im Gerätekanal erzeugt und die photoangeregten Ladungsträger müssen durch den Kanal gehen, um an der Elektrode anzukommen, was länger dauert als die Erzeugung in der Nähe der Elektrode/MoTe₂ Schnittstelle. Somit zeigt das Gerät eine längere Photoreaktionszeit bei V _sd = 1 V als bei V _sd = 0 V. Zusätzlich zur Arbeit am sichtbaren Band, ein mehrschichtiges MoTe₂ Fototransistor hat eine Photoantwort im nahen Infrarotband. Abbildung 5b zeigt, dass seine Photoreaktion von 1200 auf 1550 nm erweitert werden kann. Die optische Anregung, bereitgestellt vom SuperK EXTREME Superkontinuum-Weißlichtlaser, wird mit einer 20×-Objektivlinse mit einem Punktdurchmesser von 4,4 μm auf das Kanalzentrum des Geräts fokussiert. Die Daten zeigen, dass mehrschichtiges MoTe₂ Fototransistor kann im Kommunikationsband verwendet werden.

Photoreaktionszeit und Spektralbereich von mehrschichtigem MoTe₂ Fototransistor. a Zeitaufgelöster Photostrom bei V _bg = 5 V und V _sd = 0 V (schwarze Linie) bzw. 1 V (rote Linie). b Photoantwort bei verschiedenen Photoanregungswellenlängen

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend haben wir luftstabiles mehrschichtiges MoTe₂ . vom p-Typ hergestellt Fototransistor mit asymmetrischer Kontaktform. Seine Photoreaktion wird mit scannendem Photostrom bei verschiedenen Gate- und Source-Drain-Spannungen untersucht, was hilft, die räumlichen Potentialprofile aufzudecken. Die Ergebnisse zeigen, dass sich in der Nähe der Elektroden/MoTe₂ . eine Potentialstufe bildet Schnittstelle aufgrund der Dotierung des MoTe₂ durch die Metallkontakte, spielt eine wichtige Rolle bei der Trennung photoangeregter Elektron-Loch-Paare im Kurzschlusszustand oder bei kleinem V _sd voreingenommen. Der Nettostrom ist ungleich Null, wenn eine potenzielle Stufe mit asymmetrischem Kontaktquerschnitt zwischen MoTe₂ . vorhanden ist -source und MoTe₂ - Elektroden ablassen. Bei Vorspannung V _sd steigt über die Potentialstufe, V _sd dominiert die Trennung von photoangeregten Elektron-Loch-Paaren und I _PC Peak erscheint in der Mitte des Gerätekanals. Außerdem ist MoTe₂ Fototransistor zeigt im Kurzschlusszustand eine schnellere Reaktion als bei höherer Vorspannung V _sd innerhalb einer Millisekunde, und sein Spektralbereich kann bis ins Infrarot bei 1550 nm erweitert werden.

Methoden/Experimental

Back-Gated mehrschichtiges MoTe₂ Fototransistoren werden auf folgende Weise hergestellt. Zuerst werden Source-, Drain- und Gate-Elektroden auf 300-nm-SiO₂ . strukturiert /p ⁺ -Si-Substrat unter Verwendung von Standard-UV-Photolithographietechniken, gefolgt von selektivem Ätzen von 300-nm-SiO₂ unter der Gate-Elektrode und Elektronenstrahlverdampfung eines 5 nm/100 nm Cr/Au-Films. Zweitens das vielschichtige MoTe₂ Probe wird auf einem weiteren 300-nm-SiO₂ . präpariert /p ⁺ -Si-Substrat durch mechanisches Abblättern von mm-großem halbleitendem 2H-MoTe₂ Einkristalle, die durch chemischen Dampftransport unter Verwendung von TeCl₄ . gezüchtet werden als Transportmittel bei einem Temperaturgradienten von 750 bis 700 °C für 3 Tage. Schließlich das vorbereitete mehrschichtige MoTe₂ Die Probe wird unter Verwendung von Polyvinylalkohol (PVA) als Medium auf strukturierte Source-Drain-Elektroden übertragen. PVA ist in H₂ . gelöst O und gespült mit Isopropylalkohol. Mehrschichtiges MoTe₂ Proben werden durch ein optisches Mikroskop identifiziert und die entsprechende Dicke wird mit SPA-300HV Rasterkraftmikroskopie (AFM) charakterisiert. Raman-Signale werden von einem LabRAM HR-Raman-Spektrometer mit Laseranregung mit 514 nm Wellenlänge in der Rückstreukonfiguration unter Verwendung eines 100 × Objektivs gesammelt.

Die elektrische Charakterisierung und die Photoreaktion für die 637-nm-Laseranregung werden durch die Kombination des Agilent B1500A Halbleiteranalysators mit der Lakeshore-Sondenstation durchgeführt. Der Laser wird mit einer Faser auf das Gerät gestrahlt und die Punktgröße ist größer als 200 μm. Der zeitaufgelöste Fotostrom wird mit einem DL1211 Stromvorverstärker und einem Keysight MSOX3024T Oszilloskop aufgezeichnet. Der ortsaufgelöste Photostrom wird mit einem selbstgebauten Aufbau durchgeführt. Der Anregungslaser wird von einem SuperK EXTREME Superkontinuum-Weißlichtlaser mit einem als Zubehör erhältlichen SuperK SELECT mehrzeiligen abstimmbaren Filter zur Einstellung der Wellenlänge bereitgestellt. Das Licht wird mit einem 20-fach-Objektiv auf das Gerät fokussiert und mit SR570 zerhackt. Das reflektierte Licht und der Photostrom werden mit dem Stromvorverstärker DL1211 und dem Lock-In-Verstärker SR830 aufgezeichnet.

Abkürzungen

2D:

Zweidimensional

2H-MoTe₂ :

Molybdänditellurid vom 2H-Typ

AFM:

Rasterkraftmikroskopie

FET:

Feldeffekttransistor

I _PC :

Fotostrom

I _SC :

Kurzschlussstrom

I _sd :

Source-Drain-Strom

PVA:

Polyvinylalkohol

TMDs:

Übergangsmetalldichalkogenide

V _bg :

Back-Gate-Spannung

V _OK :

Leerlaufspannung

V _sd :

Source-Drain-Spannung

τ _Herbst :

Herbstzeit

τ _Aufstieg :

Anstiegszeit