[논문 리뷰] Broadband optical-fiber-compatible photodetector based on a graphene-MoS2-WS2 heterostructure with a synergetic photo-generating mechanism

Yifeng Xiong, Jinhui Chen외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 02.

2D Materials and Applications참고 문헌 33인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 기계적 전달을 통해 섬유 끝면에 통합된 그래핀-MoS₂-WS₂ 반데르발스 이종구조를 기반으로 한 광역, 게이팅 불필요, 일체형 섬유 광검출기(FPD)를 제시한다. 이 장치는 유형-II 밴드 배열과 광전도 및 열전기 효과를 조합한 상호보완적 광생성 메커니즘 덕분에 초고속 광감도(400 nm에서 6.6×10⁷ A/W)를 달성하고, 1550 nm까지 적외선을 감지하며 17.1 A/W의 감도를 보인다.

ABSTRACT

Integrating two-dimensional (2D) crystals into optical fibers can grant them optoelectronic properties and extend their range of applications. However, our ability to produce complicated structures is limited by the challenges of chemical vapor deposition (CVD) manufacturing. Here, we successfully demonstrate a 2D-material heterostructure created on a fiber endface by integrating a microscale multilayer graphene-MoS2-WS2 van der Waals (vdW) heterostructure film on it. Hence, based on simple layer-by-layer transferring, a visible-to-infrared gating-free all-in-fiber photodetector (FPD) is produced. Our FPD exhibits an ultrahigh photoresponsivity of 6.6X107 A/W and a relatively fast response speed of 7 ms at 400 nm light wavelength, due to the strong light absorption and the built-in electric field of the heterostructure. Moreover, owning to the type-II staggered band alignments in the MoS2-WS2 heterostructure, the interlayer optical transition between the MoS2 and WS2 layers enable our FPD to sense the infrared light power, displaying a photoresponsivity of 17.1 A/W at 1550 nm. In addition, an inverse photoresponse is observed under an illuminating power higher than 1 mW at 1550 nm, indicating a competingphotocurrent generation mechanism, comprising the photoconductive and photo-bolometric effects. These findings offer a new strategy for developing broadband and gating-free photodetectors and other novel optoelectronic devices based on 2D crystals. Furthermore, our fabrication method may provide a new platform for the integration of optical fibers with semiconducting materials.

연구 동기 및 목표

• 광섬유와 호환되는 광역, 게이팅 불필요 광검출기를 개발하여 통합 옵티오일렉트로닉스 응용을 위한 기반을 마련한다.
• 기존 CVD 방법으로 섬유 기반에 복잡한 2D 이종구조를 제작하는 데서 비롯하는 한계를 극복한다.
• 유형-II 밴드 배열을 갖춘 이종구조를 통해 가시광선에서 적외선 영역까지 효율적인 빛 수확을 가능하게 한다.
• 2D 재료를 직접 섬유 끝면에 통합하는 가용성 있는 전달 기반 제조 방법을 제시한다.

제안 방법

• 미세구조의 다층 그래핀-MoS₂-WS₂ 반데르발스 이종구조 필름을 기계적 분리 및 층별 전달 방법을 통해 섬유 끝면에 제작하였다.
• MoS₂와 WS₂ 사이의 유형-II 스태그거드 밴드 배열을 활용하여 계면 간 전하 이동을 촉진하고 적외선 흡수를 향상시켰다.
• 외부 게이트 전압 없이, 그래핀 접촉면에서 형성된 내재 전계와 쇼트키 배리어에 의존하여 작동한다.
• 다양한 광출력과 파장에서의 광전류를 측정하여 400–1550 nm 범위에서 감도와 반응 시간을 정량화하였다.
• 고출력(1550 nm에서 1 mW 초과)에서 관찰된 역광응답은 광전도 효과와 열전기 효과 간의 경쟁적 작용 때문으로 기인되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2D 이종구조가 광섬유 끝면에 성공적으로 통합되어 기능성 일체형 섬유 광검출기를 구현할 수 있는가?
• RQ2 MoS₂-WS₂ 이종구조에서의 유형-II 밴드 배열이 광역 적외선 반응을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ3 내재 전계와 계면 간 전이가 가시광선 및 적외선 스펙트럼에서 광감도 향상에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 고광출력에서 경쟁적인 광전류 메커니즘(광전도 대 열전기 효과)이 장치 반응에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 이온화된 광흡수와 이종구조 내 효율적인 전하 분리 덕분에 400 nm에서 초고감도 광감도 6.6×10⁷ A/W를 달성하였다.
• 1550 nm에서 17.1 A/W의 광감도를 나타내어 MoS₂-WS₂ 이종구조의 계면 간 광학적 전이에 의해 효과적인 적외선 감지가 가능함을 입증하였다.
• 400 nm에서 7 ms의 빠른 반응 속도를 보이며, 이종구조 내에서 효율적인 실리콘 추출 및 전자 이동이 이루어짐을 시사한다.
• 1550 nm에서 1 mW를 초과하는 광출력에서 역광응답이 관찰되어 광전도 효과에서 열전기 효과로의 지배력 전환을 나타낸다.
• 이 제조 방법은 섬유 기반에 복잡한 2D 이종구조를 CVD 없이도 확장 가능한 방식으로 통합할 수 있게 하여 섬유 통합 옵티오일렉트로닉스의 새로운 길을 열었다.