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

Yifeng Xiong, Jinhui Chen+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2018

2D Materials and Applications参考文献 33被引用 7

一句话总结

本文提出了一种基于机械转移方法集成于光纤端面的石墨烯-MoS2-WS2范德华异质结的宽带、无门控全光纤光电探测器（FPD）。该器件在400 nm波长下实现了超高的光电响应度（6.6×10⁷ A/W），并在1550 nm波长下检测到红外光，响应度达17.1 A/W，其性能得益于II型能带排列以及光电导与热电效应协同作用的光生机制。

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.

研究动机与目标

• 开发一种与光纤兼容、适用于集成光电子应用的宽带、无门控光电探测器。
• 克服传统化学气相沉积（CVD）方法在光纤基底上制备复杂二维异质结的局限性。
• 利用具有II型能带排列的异质结，实现从可见光到红外波段的高效光捕获。
• 展示一种可扩展的、基于转移的制造方法，实现二维材料直接集成于光纤端面。

提出的方法

• 通过机械剥离和逐层转移方法，在光纤端面制备了微尺度多层石墨烯-MoS2-WS2范德华异质结薄膜。
• 该异质结利用MoS2与WS2之间的II型阶梯式能带排列，促进层间电荷转移并增强红外吸收。
• 器件无需外加门电压，依赖石墨烯接触界面处的内建电场和肖特基势垒形成实现工作。
• 在不同光功率和波长条件下测量光电流，量化了400–1550 nm波段范围内的响应度和响应时间。
• 在高功率下（1550 nm处超过1 mW）观察到反常光电响应，归因于光电导与热电效应的竞争作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否成功将二维异质结集成于光纤端面，以构建功能性的全光纤光电探测器？
• RQ2 MoS2-WS2异质结中的II型能带排列如何实现宽带红外响应？
• RQ3 内建电场与层间跃迁在增强可见光与红外光谱范围内的光电响应度中起到何种作用？
• RQ4 在高光功率下，竞争性光电流机制（光电导效应与热电效应）如何影响器件响应？

主要发现

• 由于异质结中强烈的光吸收与高效的电荷分离，该光电探测器在400 nm波长下实现了6.6×10⁷ A/W的超高压电响应度。
• 在1550 nm波长下，器件表现出17.1 A/W的光电响应度，证明了MoS2-WS2异质结中层间光学跃迁对有效红外探测的贡献。
• 在400 nm波长下，器件响应速度达7 ms，表明异质结中载流子提取与传输效率高。
• 当1550 nm光功率超过1 mW时，观察到反常光电响应，表明器件从光电导主导向热电效应主导转变。
• 该制备方法实现了复杂二维异质结在光纤基底上的可扩展、无需CVD的集成，为光纤集成光电子学开辟了新路径。