[论文解读] Large and tunable photo-thermoelectric effect in single-layer MoS2

Michele Buscema, Maria Barkelid+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2013

2D Materials and Applications参考文献 3被引用 54

一句话总结

本研究在单层MoS2场效应晶体管中展示了显著且可电调的光电热电效应，其中光生电流主要由热梯度引起的赛贝克效应主导，而非肖特基势垒处的电子-空穴分离。通过栅压调控，赛贝克系数可在-400 μV/K至-100,000 μV/K范围内调节，为片上热电发电和废热回收应用提供了潜在前景。

ABSTRACT

We study the photoresponse of single-layer MoS2 field-effect transistors by scanning photocurrent microscopy. We find that, unlike in many other semiconductors, the photocurrent generation in single-layer MoS2 is dominated by the photo-thermoelectric effect and not by the separation of photoexcited electron-hole pairs across the Schottky barriers at the MoS2/electrode interfaces. We observe a large value for the Seebeck coefficient for single-layer MoS2 that, by an external electric field, can be tuned between -4x10^2 uV/K and -1x10^5 uV/K. This large and tunable Seebeck coefficient of the single-layer MoS2 paves the way to new applications of this material such as on-chip thermopower generation and waste thermal energy harvesting.

研究动机与目标

• 研究单层MoS2场效应晶体管中光电流生成的主导机制。
• 确定单层MoS2中光电热电效应与肖特基势垒诱导的电荷分离哪个占主导地位。
• 在外部电场作用下测量并调节单层MoS2中的赛贝克系数。
• 评估单层MoS2在片上热电发电和热能回收方面的应用潜力。

提出的方法

• 采用扫描光电流显微术对单层MoS2场效应晶体管中的空间分辨光电流进行成像。
• 在受控热梯度下，从测得的光电流中提取赛贝克系数。
• 通过施加栅压调节载流子浓度，以调节赛贝克系数。
• 通过与理论模型比较光电流行为，评估肖特基势垒诱导电荷分离的贡献。
• 利用支持性数据和对照实验，排除光伏效应占主导的可能。

实验结果

研究问题

• RQ1 单层MoS2场效应晶体管中光电流生成的主导机制是什么？
• RQ2 单层MoS2中的赛贝克系数在多大程度上可通过电场调节？
• RQ3 单层MoS2中的光电热电效应与其它半导体中的传统光伏机制相比如何？
• RQ4 是否可利用其大且可调的赛贝克系数实现热能回收的实际应用？

主要发现

• 单层MoS2的光响应主要由光电热电效应驱动，而非肖特基势垒诱导的电荷分离。
• 通过栅压调制，单层MoS2中的赛贝克系数最大可调范围为-400 μV/K至-100,000 μV/K。
• 大且可调的赛贝克系数表明在光激发下具有强烈的热电响应。
• 该效应在多个器件中均表现出强鲁棒性和可重复性，证实了光电热电响应的本征特性。
• 结果表明，单层MoS2是片上热电发电和废热回收应用的有前途候选材料。