Nano-Micro LettersMoS2-Based Photodetectors Powered by Asymmetric Contact Structure with Large Work Function Difference
Nano-Micro Lett. (2019) 11: 34
https://doi.org/10.1007/s40820-019-0262-4
2 在自供电的条件下，由非对称接触结构驱动的Mo2C/MoS2/Au光电探测器的响应度可以达到10-1 mA/W。该光电探测器的探测性能在至少110天内不会发生明显衰退。
非对称金属接触结构是一种有效的驱动二维材料基光电探测器的器件结构。非对称金属接触结构中的源极和漏间的功函数差越大则越有利于构建出高性能的光电探测器。
然而，常见的金属电极都具有较高的功函数且其功函数间差值较小，因此只使用常见的金属电极很难构建出具有大功函数差的非对称金属接触结构。
如何制备出一种功函数值较低且物理、化学性质稳定的超薄电极材料，以构建具有大功函数差的非对称金属接触结构仍然是一个难题。
华中科技大学高义华教授团队用CVD法制备出了大面积的Mo2C（功函数为3.8 eV）并将其与Au结合，构建出了具有大功函数差的非对称金属接触结构，制备出了由非对称金属接触驱动的Mo2C/MoS2/Au光电探测器。
该光电探测器对能量密度为1.78 mW/cm2、波长为600 nm的入射光的开关比约为10、响应度约为10-1 mA/W。该结构的光电探测器性能稳定，在110天的时间内其光探测性能不会发生明显衰退。
Mo2C/MoS2/Au器件的制备
本文中用于构建Mo2C/MoS2/Au器件的MoS2与Mo2C均由CVD法制备。其中，功函数为3.8 eV的Mo2C可与Au形成具有大功函数差的非对称结构，该结构可以有效地驱动MoS2基的光电探测器。
图1（a）单层MoS2的示意图（上部）和计算所得的MoS2的电子能带结构图（底部）。（b）单层Mo2C的示意图（上部）和计算所得的Mo2C的电子能带结构（底部）。（c）MoC2/MoS2/Au器件的示意图（上部）及其能带图（底部）。
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图2为Mo2C的两种制备方法。由图可知，由Type II方法制备出的Mo2C晶体有较为稀疏的形核点，稀疏的形核点为Mo2C的横向生长提供了空间，从而可以得到面积较大的Mo2C晶体。
图2 化学气相沉积法制备Mo2C的两种方法。（a）CVD方法制备Mo2C晶体的示意图。在Type I方法中，将铜箔直接放置于钼箔上构成铜/钼基底以生长Mo2C。在Type II方法中，将钼箔放置在铜箔旁边。铜在高温下蒸发并吸附在钼箔上，并以之为基底生长Mo2C。（b）由Type I方法制备的Mo2C的光学图像，生长时间为20分钟。（c）Type I方法生长Mo2C的过程的示意图。（d）通过II型制备的Mo2C的光学图像，生长时间为180分钟。（e）Type II方法生长Mo2C的过程示意图。黑线代表石墨烯。
Mo2C/MoS2/Au器件的性能
本文中构建的Mo2C/MoS2/Au器件的具有自驱动的功能，图4测试了该器件的伏安特性曲线并对比了Mo2C/MoS2/Au器件与Au/MoS2/Au器件在零偏压下的光探测性能。Au/MoS2/Au器件由于两端电极间不具有功函数差，因此在零偏压下没有光探测功能。
图4 （a）Mo2C/MoS2/Au器件的光镜图及示意图。（b）在80 mW/cm2的白光照射下（红色）及暗态下（黑色）的Mo2C/MoS2/Au器件的|I|-V曲线。插图为暗电流的放大图。(c) Mo2C/MoS2/Au器件的I-V曲线的放大图，偏置电压范围为-0.1 mV至0.3 mV。（d）在80 mW/cm2白光照射下，自供电Mo2C/MoS2/Au器件（红色）和Au/MoS2/Au器件（黑色）的光响应电流。插图为暗电流的放大图。（e）Mo2C/MoS2/Au光电探测器在暗态及白光照射下的传输特性曲线。
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由图5可知，Mo2C/MoS2/Au器件具有较好的光探测性能，且该探测性能在110天内不会发生明显的衰退。
图5 Mo2C/MoS2/Au光电探测器的性能。（a）光电探测器对不同波长的光（0.5 mW/cm2）的电流响应。（b）光电探测器对不同光强的光（波长为600 nm）的电流响应。（c）光电探测器对光的响应和恢复时间。（d）Mo2C/MoS2/Au光电探测器的长期性能测试。
高义华
教授
华中科技大学物理学院
武汉光电国家研究中心
- 2002年，高义华发表首作者Nature文章1篇(carbon nanothermometer)，该成果被选入美国化学教科书“Introductory Chemistry A Foundation”。
- 以该成果为基础，2005年与Prof. Yoshio Bando, Prof. Dmitri Golberg共同获得第16届日本“Tsukuba Prize（筑波杰出科学家奖）”。
- 参与一项973项目，获5项国家自然科学基金的面上项目支持。共发表（含接收）SCI文章135篇，含Nat. Commun.; Adv. Mater.; Adv. Funct. Mater.; Nano Energy; Nano Lett.; ACS Nano等权威期刊上发表第一作者和通讯作者文章95篇，文章总引用3000余次。
E-mail: gaoyihua@hust.edu.cn
谭新玉
教授
三峡大学材料与化工学院
E-mail: tanxin@ctgu.edu.cn
康喆
博士研究生
华中科技大学武汉光电国家研究中心
E-mail: kangzheyc@hust.edu.cn
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