機械剝離和干轉移方法制備的WS2/石墨烯/MoS2垂直范德華異質結，用于實現快速響應的光電探測器。該研究通過嵌入石墨烯層來優化界面缺陷和提高載流子傳輸效率，從而提高了光電探測器的響應速度。在405納米激光器照射和0.5V偏壓下，該器件的上升時間和下降時間分別為44和52微秒。此外，在2.5V偏壓下，器件展現出高響應度（220 A/W）、高探測度（1.2×10^13 Jones）、大外部量子效率（6.7×10^4 %）和低暗電流（1.05×10^-13 A）。該研究還展示了基于該異質結器件的高速傳輸和低比特錯誤率的閉環光通信系統。

一、研究背景

快速響應光電探測器在高速通信、實時監控和光學成像系統中的應用引起了廣泛關注。然而，大多數報道的光電探測器由于材料固有屬性、載流子傳輸效率低和界面不匹配等問題，導致響應速度慢。為了捕捉快速變化的光信號，需要具有快速響應的光電探測器。

二、研究思路

通過在WS2/MoS2異質結中嵌入石墨烯層來優化界面缺陷和提高載流子傳輸效率，從而提高光電探測器的響應速度。石墨烯因其高載流子遷移率、平滑的表面特性被選用，以期通過改善界面質量來提高器件的光電特性和響應速度。

三、實驗流程細節

• 首先，在Si/SiO2襯底上通過磁控濺射沉積10nm/70nm的Cr/Au薄膜作為電極。
• 通過機械剝離獲得MoS2、石墨烯和WS2納米片。
• 按照由下至上的順序，將上述三個納米片垂直堆疊構建WS2/石墨烯/MoS2異質結。
• 使用聚乙烯醇丁醛（PVB）薄膜和聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜作為中間轉移層和熱釋放層，通過干轉移技術將納米片轉移到襯底上。
• 對制備的異質結進行拉曼光譜、原子力顯微鏡（AFM）和光致發光（PL）方法的表征。
• 在405、520和660納米激光器照射下，測量基于WS2/石墨烯/MoS2異質結的光電探測器的光電性能。

四、創新點

1. 界面缺陷優化與載流子傳輸效率提升：在405納米激光器照射和0.5V偏壓下，該器件的上升時間為44微秒，下降時間為52微秒，相較于沒有石墨烯層的WS2/MoS2異質結器件，響應速度有了顯著提升。
2. 快速響應性能：在2.5V偏壓下，該WS2/石墨烯/MoS2異質結光電探測器展現出了快速響應性能，包括高響應度（220 A/W）、高探測度（1.2×10^13 Jones）、大外部量子效率（6.7×10^4 %）和低暗電流（1.05×10^-13 A）。
3. 優異的光電性能：在405納米激光器照射下，該器件的最大光電流（Iph）達到3.3×10^-6 A，響應度（R）為220 A/W，外部量子效率（EQE）為6.7×10^4 %，探測度（D*）為1.2×10^13 Jones。
4. 光通信應用潛力：通過構建閉環光通信實驗系統，展示了基于WS2/石墨烯/MoS2異質結光電探測器的高速傳輸和低比特錯誤率。除了由于快速響應特性導致的微小延遲外，原始信號被完美再現，證明了該器件在光通信中的高速傳輸和低比特錯誤率的應用潛力。

五、結論

通過機械剝離和干轉移技術制備的WS2/石墨烯/MoS2范德華異質結光電探測器，由于石墨烯層的嵌入，有效地優化了界面缺陷和提高了載流子傳輸效率，實現了快速響應和優異的光電性能。該研究不僅為設計快速響應和高性能光電探測器提供了新的思路，而且為高速光通信、實時環境監測和安全監測等潛在應用開辟了新的道路。

	圖1

圖1：WS2/石墨烯/MoS2異質結器件的制備流程。

	圖2

圖2： (a) WS2/石墨烯/MoS2異質結器件的原理圖和(b)光學顯微鏡圖像。(c) 單個材料和WS2/石墨烯/MoS2異質結的光致發光（PL）強度。(d) WS2/石墨烯/MoS2異質結的拉曼光譜。(e) WS2/石墨烯/MoS2異質結器件的原子力顯微鏡（AFM）圖像。(f-i) 分別為電極、石墨烯、MoS2和WS2的厚度曲線。

	圖3

圖3： (a) 異質結在不同光功率白光照射下的IV特性。(b) 器件在不同柵極電壓和光照射下的輸出特性曲線。(c-f) 在405、520和660納米光照射下，光電流、響應度（R）、外部量子效率（EQE）和探測度（D*）對功率密度的響應。(g) WS2/石墨烯/MoS2異質結器件的開關響應和(h) 時間光響應曲線。