二維（2D）材料的超薄特性為創(chuàng)造比使用傳統(tǒng)塊狀材料薄得多的器件提供了機(jī)會(huì)。在這篇文章中，通過化學(xué)氣相沉積法生長的單層二維材料被用來制造超薄的全二維側(cè)向二極管。我們表明，將石墨烯電極置于WS
2單層的下方和上方，而不是同一側(cè)，會(huì)產(chǎn)生具有兩種不同肖特基勢(shì)壘高度的側(cè)向器件。由于自然的介電環(huán)境，底部的石墨烯層夾在WS
2和SiO
2襯底之間，它的摻雜水平與頂部的石墨烯層不同，后者與WS
2和空氣接觸。這兩個(gè)石墨烯電極的橫向分離導(dǎo)致了一個(gè)具有兩個(gè)不對(duì)稱勢(shì)壘的橫向金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)，但卻保留了其兩層厚度的超薄形式。整流和二極管的行為可以在晶體管、光電二極管和發(fā)光器件中得到利用。我們表明，在1.37μW的激光功率和±3V的偏置電壓下，該器件表現(xiàn)出高達(dá)90的整流率。我們證明，背門電壓和激光照明都可以調(diào)整該器件的整流行為。此外，該器件在2.16 × 10
-5 A的平均流動(dòng)電流下，可以在兩個(gè)石墨烯電極上的WS
2區(qū)域產(chǎn)生強(qiáng)烈的紅色電致發(fā)光。這項(xiàng)工作有助于目前對(duì)二維金屬-半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的理解，并提供了一個(gè)通過保留超薄器件概念獲得全二維肖特基二極管的想法。
圖1. GrB-WS
2-GrT結(jié)構(gòu)的演示。(a) 轉(zhuǎn)移到SiO
2/Si基片上的CVD生長的石墨烯連續(xù)薄膜的光學(xué)圖像。(b) 寬度為10μm的圖案化石墨烯帶的光學(xué)圖像。(c) SiO
2/Si基底上的CVD生長的WS2連續(xù)膜的光學(xué)圖像。(d) 尺寸為40 μm × 40 μm的WS
2方形圖案的光學(xué)圖像。(e) 創(chuàng)建不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的制造步驟。粘合墊首先被沉積在基底上。隨后，一塊石墨烯薄膜被轉(zhuǎn)移到基底上，并被圖案化為帶狀。最后，預(yù)先圖案化的WS
2和頂部石墨烯的構(gòu)件被對(duì)齊-轉(zhuǎn)移到目標(biāo)位置。(f) GrB-WS
2-GrT結(jié)構(gòu)的原子模型。
圖2. GrB-WS
2-GrT器件的光學(xué)表征。(a) 典型的不對(duì)稱側(cè)向裝置的SEM圖像。(b) 石墨烯電極的拉曼光譜，從(a)中的綠色十字獲得。(c) 半導(dǎo)電的WS
2的拉曼光譜，從(a)中的紫色交叉點(diǎn)獲得。(d) 從(a)中的黑色虛線框得到的PL綜合強(qiáng)度圖。(e) WS方塊的PL光譜：黑色為SiO
2/Si上的WS
2，紅色為WS
2與石墨烯的接觸（黃色十字）。(f) WS
2的PL光譜有兩個(gè)擬合的洛倫茲峰，代表激子發(fā)射（A）和負(fù)三子發(fā)射（A-）。
圖3. 作為晶體管的不對(duì)稱裝置的電氣特性。(a) 不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的光學(xué)圖像。(b) 在不同后門下的輸出I
ds-V
ds曲線，顯示整流行為。(c) 在(b)中不同的后門下，V
ds=±3 V時(shí)的整流率。(d) 器件的傳輸曲線，顯示出N型特性。(e) 器件的等效電路模型，它由一個(gè)肖特基二極管和一個(gè)串聯(lián)電阻組成。(f) 不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的帶狀圖。兩條石墨烯帶處于不同的電介質(zhì)環(huán)境中。因此，兩個(gè)石墨烯帶的費(fèi)米級(jí)是不同的，導(dǎo)致了不對(duì)稱的肖特基屏障。Φ
SB代表SBH。Φ
GrB（Φ
GrT）是底部（頂部）石墨烯的功函數(shù)，χ
WS2是WS
2的電子親和力。
圖4.作為光電二極管的Gr
B-WS
2-Gr
T器件的光電特性。(a) 該結(jié)構(gòu)在不同激光功率下的輸出I
ds-V
ds曲線。Gr
B-WS
2-Gr
T器件顯示了整流行為。(b, c) 不對(duì)稱結(jié)構(gòu)在負(fù)（b）和正（c）偏壓照明下的帶狀圖?；疑退{(lán)色的點(diǎn)分別代表電子和空穴?；疑募^表示電子的遷移。實(shí)線是在黑暗條件下，而虛線是在光照下。(d) (a)中3V源-漏極偏壓下反應(yīng)率對(duì)激光功率的依賴性。(e) (a)中不同激光功率下V
ds = ±3 V的整流率。所有V
g為0 V。
圖5. 作為發(fā)光器件的Gr
B-WS
2-Gr
T結(jié)構(gòu)的EL表征。(a) 紅色發(fā)射的光學(xué)圖像。白色方框代表石墨烯帶，而綠色方框表示W(wǎng)S
2方塊。(b) 器件相應(yīng)的輸出I-t曲線。(c) 在相同的實(shí)驗(yàn)條件下記錄的另一個(gè)裝置的EL光譜。該信號(hào)非常強(qiáng)，超出了捕獲范圍。因此，PL光譜被用來進(jìn)行粗略的形狀擬合。(d) (a)中紅色發(fā)射的強(qiáng)度曲線。(e) EL發(fā)射狀態(tài)下的器件帶狀圖。灰色和藍(lán)色的點(diǎn)分別代表電子和空穴。灰色和藍(lán)色的箭頭表示電子和空穴的注入。在高偏壓下，電子和空穴都被注入，然后重新結(jié)合以產(chǎn)生發(fā)射。
圖6. 結(jié)點(diǎn)區(qū)域的EL發(fā)射的時(shí)間依賴性。(a-f)光學(xué)圖像顯示了EL發(fā)射的演變和(a′-f′)其相應(yīng)的強(qiáng)度線圖。它顯示了電致發(fā)光的開始，從一個(gè)點(diǎn)向一個(gè)條狀增長，從一個(gè)條狀向一個(gè)點(diǎn)減弱，最后逐漸消失。
圖7. 各種不對(duì)稱器件中的EL信號(hào)。(a-c)在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，三個(gè)不同器件的EL的光學(xué)圖像。比例尺： 50μm。(d-f) (a-c)中黃色虛線框的放大的光學(xué)圖像。比例尺： 10μm。(g-i) (d-f)中的電致發(fā)光強(qiáng)度曲線。
相關(guān)研究成果由德克薩斯大學(xué)Jamie H. Warner等人2023年發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces (https://doi.org/10.1021/acsami.2c22014)上。原文：Ultrathin All-2D Lateral Diodes Using Top and Bottom Contacted Laterally Spaced Graphene Electrodes to WS
2 Semiconductor Monolayers。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
