二维过渡金属双硫属化物(TMD)是目前材料领域的一个研究热点，有望在超薄电子和光电子工业取代传统的半导体材料。它们同半金属性的石墨烯、绝缘晶体(如六方氮化硼)一起，被视为基于二维van der Waals晶体来制备新一代纳米电子器件的基本单元。光致激发下，type-II型TMDs异质结中具有超快的层间电荷传输，大概在皮秒量级，且相比于单层或双层的TMD晶体，人工设计的TMDs异质结具有更高的光敏感性。近日，研究者基于横向搭接石墨烯、垂直堆叠的WS₂/MoS₂，提出制备一个侧向金属-半导体-金属(MSM)的异质堆叠结构。

图1：a) Gr–WS₂/MoS₂–Gr光电探测器阵列的三维视图和侧视图；b) 制备过程示意图；
c) 本实验设计的五种光电探测器构型示意图；d) Gr–WS2/MoS2–Gr光电探测器阵列光镜图；e) 添加颜色后的d)图虚线框中的扫描电镜图

具体制备工艺为：在PMMA薄膜基底上用电子束光刻和氧等离子体选择性刻蚀来制备Au焊盘和石墨烯电极，将其转移到已覆有TMD (A)的硅片上，最后将TMD (B)转移到此硅片上(单层TMD时不需此步)，其中TMDs和石墨烯晶体均通过CVD法制备。

图2：五种TMD光电探测器的输出特性：a-e) 不同光照功率下的Ids–Vds测试；f) 在Vds = 5 V时，5种TMD光电探测器的暗电流分布

如图2.a-e)所示不同光照功率下的Ids–Vds测试结果，除WS₂/MoS₂异质双层光电探测器以外，都具有非线性的I–V曲线，表明在石墨烯和TMD之间是非理想的接触；而光照下，WS₂/MoS₂异质双层光电探测器具有近欧姆响应，甚至随着Vds的增加可以趋于饱和。图2.f所示，WS₂/MoS₂异质双层光电探测器对应的暗电流约为10^-6A，具有最低的沟道电阻。五种光电导体的品质因子如表一所示，可见WS₂/MoS₂异质双层的光响应可达2340A W-1，界面光导增益高达3.7×10⁴, 相比于单层或双层TMDs来说，光响应提高超过一个数量级。

表一：TMD 光电导体品质因子列表

图3：Gr–WS₂/MoS₂–Gr光电探测器界面电荷传输和载流子迁移动力学示意图

如图3.a所示，由于WS₂/MoS₂异质结属于type-II能带排布，光激电子和空穴会在隔离层聚集，载流子分离形成层分离激子发生在几个皮秒内，电子和空穴将分别留在MoS₂和WS₂中；图3.b所示为施加正的背栅电势时器件的能带示意图，石墨烯的功函数可以被调控，因而可以降低Gr–TMD界面的肖脱基势垒；图3.c所示为光激发下的器件能带示意图，光照射后，形成横跨WS₂和MoS₂的层分离激子，抑制电子-空穴的复合并进一步解离成游离的载流子。在外电场的作用下，电子朝着漏极运动形成光电流，而空穴会朝着接地石墨烯电极运动。在TMD双层的捕获态，Gr-TMD界面产生空穴富集，石墨烯电极上产生正的光栅效应并降低肖脱基势垒，从而使得Gr-TMD肖脱基势垒热电子发射增强，电子从源电极到WS₂/MoS₂通道注入量的提高，从而促进光电探测器中电子的流通。

横向搭接石墨烯、垂直堆叠的WS₂/MoS₂混合光电探测器可以通过调控van der Waals晶体界面间电荷的传输，使得器件性能具有显著的提升，这对今后优化光电探测器性能具有重要的指导意义。