阿尔托大学孙志培教授团队《ACS Nano》：工作机制可切换的范德华异质结光探测器件

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二维材料及其范德华异质结被广泛应用于光探测。目前基于二维材料的光探测器件工作机制主要为以下二者之一：光伏器件（Photovoltaic device）或光电晶体管（Phototransistor），而非法二者兼具。近年来以V族元素金属碲化物为代表的二位金属材料因其独特的物理性质（如高电导率）引起了广泛关注，也为探索新型范德华异质结提供了新选择。
芬兰阿尔托大学孙志培教授课题组在《ACS Nano》期刊上发表了题为“单个范德华异质结中两种可切换的光响应机制”的文章（DOI: 10.1021/acsnano.1c07661）。基于合理的能带设计，该课题组在单个范德华异质结中同时实现了光伏效应和光电晶体管两种工作机制，二者可由偏压实现切换。具体而言，该文选用厚层二维半导体InSe和二维金属1T-NbTe₂材料构建范德华异质结 （图1）。因为InSe的导带底（Conduction band maximum）和NbTe₂的功函数（Work function）极为接近（图1a），所以在二者接触界面处产生的能带弯曲可由器件偏压进行调节。电学测试结果表明基于该异质结的场效应晶体管具有10^5的电流开关比；其作为二极管工作时，整流比大于1000 （图2）。光电流扫描结果表明 (图3)：该异质结器件在反向偏压下工作为光伏器件；在高正向偏压下工作为光电晶体管。后续的光响应测试结果显示，该异质结器件可获得84A/W的高响应度。 
图1. InSe/NbTe2异质结的能带设计及基本表征。(a) InSe与NbTe2的能带关系；(b) 异质结器件结构以及材料晶体结构；(c) 异质结光学照片。 
图2. InSe/NbTe₂异质结器件具有大于1000的整流比。
 
图3. 图1中InSe/NbTe2异质结器件的光电流Mapping。(a-c) 栅压Vgate = 80V，偏压Vds = -2 V, 0V, +2V 时的器件光电流Mapping。绿色、橙色及白色虚线分别标示InSe、NbTe2及Au电极位置；(d) a-c中箭头所示位置的光电流；(e) 以光斑位置Y和偏压Vds为输入的概念性光逻辑门；(f,g) 异质结器件工作为光伏器件和光电晶体管时的原理示意图。
 基于此，作者提出一种以光斑位置（纯InSe或者异质结）和偏压Vds（反向或者正向）为输入，以光电流Iph为输出的概念性 “异或” 逻辑门 (图3e)。
该文实现了在单个异质结中集成光伏效应和光电晶体管两种工作机制，体现了能带工程（Band engineering）在二维异质结器件设计中的重要性，以及二维金属材料在功能器件中的巨大应用前景。另外，此处由偏压实现的工作机制切换值得更进一步研究。
论文第一作者为芬兰阿尔托大学杜明德博士，通讯作者为杜明德博士与孙志培教授。该研究主要受杜明德博士荣获的芬兰国家科学院博士后基金支持。

原文链接
Switchable Photoresponse Mechanisms Implemented in Single van der Waals Semiconductor/Metal Heterostructure. ACS Nano. DOI: 10.1021/acsnano.1c07661

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c07661

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