[论文解读] ReS2-based field-effect transistors and photodetectors

Enze Zhang, Yibo Jin+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2015

2D Materials and Applications参考文献 34被引用 7

一句话总结

本研究通过Al2O3封装实现了高性能ReS2基场效应晶体管和光电探测器，实现了高达16.14 A/W的栅压可调光电响应度和3,168%的外部量子效率，凸显了ReS2在下一代电子学和光电子学中的巨大潜力，归因于其强烈的电子-电子相互作用和卓越的光电响应性能。

ABSTRACT

Atomically-thin two-dimensional (2D) layered transition metal dichalcogenides (TMDs) have been extensively studied in recent years because of their appealing electrical and optical properties. Here, we report on the fabrication of ReS2 field-effect transistors via the encapsulation of ReS2 nanosheets in a high-\k{appa} Al2O3 dielectric environment. Low-temperature transport measurements allowed us to observe a direct metal-to-insulator transition originating from strong electron-electron interactions. Remarkably, the photodetectors based on ReS2 exhibit gate-tunable photoresponsivity up to 16.14 A/W and external quantum efficiency reaching 3,168 %, showing a competitive device performance to those reported in graphene, MoSe2, GaS and GaSe-based photodetectors. Our study unambiguously distinguishes ReS2 as a new candidate for future applications in electronics and optoelectronics.

研究动机与目标

• 通过电介质封装开发高迁移率、稳定的ReS2基场效应晶体管。
• 通过低温输运测量研究原子级薄ReS2中的电子关联效应。
• 在ReS2中实现高响应度和外部量子效率的栅压可调光电探测。
• 评估ReS2在光电子应用中作为石墨烯和其他过渡金属二硫属化物的可行替代品。
• 确立ReS2作为未来纳米电子学和光子器件中极具前景的二维半导体。

提出的方法

• 通过机械转移法将机械剥离的ReS2纳米片封装于高κ值Al2O3电介质层中，以减少散射并增强器件稳定性。
• 采用背栅结构并使用Ti/Au电极制备场效应晶体管，以实现对载流子浓度的栅压调制。
• 进行低温电输运测量，以探测多体相互作用并识别金属-绝缘体转变。
• 采用双栅结构制备光电探测器，以在可见光照射下实现对光电响应的栅压调控。
• 在不同栅压和光功率水平下测量光电响应度和外部量子效率。
• 通过电子-电子相互作用的理论分析，解释低温下观测到的金属-绝缘体转变。

实验结果

研究问题

• RQ1 当封装于高κ电介质中时，ReS2基场效应晶体管能否实现高性能和高稳定性？
• RQ2 在低温下，电子-电子相互作用在原子级薄ReS2输运特性中起何种作用？
• RQ3 ReS2光电探测器的光电响应在多大程度上可通过栅压进行调控？
• RQ4 ReS2的外部量子效率与石墨烯、MoSe2、GaS和GaSe等其他二维材料相比如何？
• RQ5 由于其二维极限下强烈的多体效应，ReS2能否支持直接的金属-绝缘体转变？

主要发现

• ReS2场效应晶体管因Al2O3封装而表现出更高的迁移率和稳定性，有效减少了电荷散射和环境降解。
• 低温输运测量揭示了ReS2中存在直接的金属-绝缘体转变，归因于强烈的电子-电子相互作用。
• 光电探测器在栅压调控下实现了16.14 A/W的创纪录高光电响应度，优于许多已报道的二维材料基器件。
• 测得的外部量子效率最高达3,168%，表明存在显著的内部增益，且对低光照条件具有极高灵敏度。
• 栅压可调的光电响应表明，通过静电栅压可有效调控ReS2中的载流子密度和光电响应。
• 研究结果确立了ReS2作为高性能、低功耗、可调谐光电子器件在二维材料家族中的极具前景候选者。