通过界面能带工程，在石墨烯接触的MoTe2/WS2范德华异质结构中实现高性能自供电宽带光检测

《Small》：High-Performance Self Powered Broadband Photodetection in Graphene-Contacted MoTe2/WS2 van der Waals Heterostructures via Interfacial Band Engineering

垂直堆叠MoTe?/WS?异质结光探测器通过石墨烯电极实现宽带高灵敏度检测，利用机械剥离与干转移技术确保界面纯净。DFT证实异质结带对齐类型为II，石墨烯电极通过可调功函数降低势垒，提升整流比至1.18×10?，并实现220-850 nm宽光谱响应，响应度650 A/W，外量子效率3.5×10?%。研究揭示接触工程与界面带对齐对光电器件性能的关键影响。

　　这项研究探讨了基于二维材料的范德华（vdW）异质结构在下一代光电子器件中的应用潜力。特别是，研究团队开发了一种高性能的宽光谱光探测器，采用垂直堆叠的MoTe?/WS?异质结构，并以几层石墨烯作为透明且可调的接触电极。该器件的制造完全依赖于机械剥离和干法转移技术，确保了材料之间的纯净界面，同时保留了材料的固有特性。通过系统性的光学、电学和密度泛函理论（DFT）分析，研究揭示了MoTe?与WS?之间的类型II能带对齐现象，这为高效的光载流子分离提供了物理基础。此外，石墨烯接触电极的引入显著提升了器件的整流行为，减少了接触诱导的复合效应，并改善了光电流响应，归因于其可调的功函数和范德华键合特性。

该光探测器展现出广泛的光谱响应（220–850纳米），高达约650 A/W的响应度，以及1.3 × 1012 Jones的高检测度，和3.5 × 10?%的外部量子效率。时间分辨研究进一步表明，该器件具有快速且偏压依赖的光响应，使其适用于高速光检测。这些性能的提升，使得该异质结构成为一种理想的平台，用于开发高灵敏度、宽光谱范围和可调的光电子器件。

研究中通过原子力显微镜（AFM）、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和能量色散X射线光谱（EDS）等手段，对异质结构的结构进行了深入表征。AFM图像显示了MoTe?和WS?片层的平滑表面和高质量界面，而HRTEM图像则揭示了材料之间的清晰分层结构，证明了在制造过程中没有出现显著的界面扩散或退化。EDS图谱进一步验证了各组成材料的元素分布，表明各层之间的空间分离，从而保证了异质结构的完整性。

为了深入理解异质结构中的电子相互作用，研究团队使用了基于DFT的第一性原理计算。计算结果表明，MoTe?和WS?均具有间接带隙结构，其中WS?的带隙较宽，适合可见光范围内的光吸收，而MoTe?的带隙较窄，适合近红外（NIR）范围内的光响应。此外，通过计算得出，WS?的导带最小值（CBM）位于比MoTe?更高的能量水平，而MoTe?的价带最大值（VBM）则位于WS?之上，这种类型II的能带对齐有利于电子和空穴在异质界面的分离，从而提升光电转换效率。

为了评估器件的电学性能，研究团队在不同栅极偏压下测量了输出和转移特性。结果显示，WS?表现出n型场效应行为，而MoTe?表现出p型特性，这与它们在异质结构中的预期掺杂极性一致。进一步的电流-电压（I-V）测量显示，石墨烯接触电极的引入显著增强了整流行为。与传统的Cr-Au电极相比，石墨烯接触电极的整流比（RR）提升到了1.18 × 10?，而Cr-Au接触电极的整流比为8.91 × 10?。这种性能的提升归因于石墨烯功函数与TMDCs的费米能级更好的匹配，从而降低了肖特基势垒高度（SBH），并提高了载流子注入效率。石墨烯与TMDCs之间形成的范德华接触，避免了化学键合和界面态的干扰，减少了费米能级钉扎现象，从而提高了器件的整体性能。

在光电子特性方面，研究团队对异质结构在不同波长、光强和偏置电压下的光电响应进行了系统测试。结果显示，该器件在宽光谱范围内表现出优异的响应能力，其中在220纳米波长下达到最大光电流。这种宽光谱响应能力源于MoTe?和WS?之间的互补吸收特性，其中WS?在紫外-可见光区域具有较强的光吸收能力，而MoTe?则在近红外区域表现出良好的响应。此外，通过瞬态光电流测量，研究团队发现该器件在低光强下表现出快速的响应和恢复时间，而在高光强下响应时间有所增加，这可能是由于陷阱填充和复合效应导致的。这些结果表明，该器件不仅具有宽光谱响应能力，还具有可调的响应速度，这使其在高速光电子应用中具有优势。

进一步的研究还探讨了偏置电压对光电响应的影响。当器件处于反向偏置时，光电流显著增强，同时响应时间减少，说明反向偏置能够有效增强光载流子的分离和收集效率。相比之下，在正向偏置下，光电流减弱，甚至出现负极性响应，这可能是由于多数载流子注入主导了光载流子的分离过程。这些偏置依赖的响应特性，使得该异质结构器件能够根据应用需求在主动模式和自供电模式之间切换，展现出高度的灵活性。

为了深入理解载流子的传输机制，研究团队还采用了扫描光电流显微镜（SPCM）对异质结构的光响应进行了空间分辨分析。SPCM图像显示，光电流主要集中在MoTe?和WS?的重叠区域，表明异质结构本身是光响应的主要来源，而非电极的肖特基势垒。此外，通过带结构图示和能量分布分析，研究团队进一步确认了MoTe?和WS?之间的类型II能带对齐特性，这为载流子的定向传输提供了理论支持。

尽管当前研究中的器件基于机械剥离的二维材料，这在一定程度上限制了其可扩展性，但研究团队指出，化学气相沉积（CVD）和分子束外延（MBE）等可扩展的生长方法已经在MoTe?和WS?的大规模合成方面取得进展，为未来实现大规模光电子器件提供了可能性。此外，为了提高器件的环境稳定性，封装和钝化策略，如六方氮化硼（h-BN）覆盖和超薄氧化物涂层，也被认为是重要的改进方向。

在与其他光探测器的性能对比中，该研究的MoTe?/WS?异质结构光探测器表现出更优的宽光谱响应能力、更高的响应度和检测度，以及更好的外部量子效率。然而，与某些已报道的光探测器相比，该器件的瞬态响应时间稍慢，这可能是由于手动光调制测量方法的限制。研究团队指出，未来采用自动化光调制技术将进一步提升器件的响应速度。

综上所述，这项研究通过系统性分析，揭示了MoTe?/WS?异质结构在光电子器件中的巨大潜力，特别是其在宽光谱响应、高响应度和可调整的光响应速度方面的优势。此外，石墨烯接触电极的引入显著改善了器件的整流行为和光载流子分离效率，为未来开发高性能、低功耗的光电子器件提供了新的思路。这些发现不仅推动了二维异质结构在光电子领域的应用，也为未来在可扩展性和环境稳定性方面的进一步研究奠定了基础。