二维MoS2/石墨烯异质结对圆偏振光的光电响应

吴小虎，彭英姿，郑奇烨，李 源

(杭州电子科技大学理学院物理系，浙江 杭州 310018)

0 引 言

石墨烯作为最先被制备出的二维材料,展现出诸多优良性质，如高达106cm2·V-1·s-1的迁移率、高电导率、光学透明性和机械柔性等[1]。但缺乏禁带的石墨烯极大地限制了其在光电子器件领域的应用。以二硫化钼(MoS2)为代表的二维过渡金属硫化物(Transition Metal Dichalcogenides，TMDs)却有作为光电子器件合适的禁带宽度(1～2 eV)[2]。单层MoS2的禁带宽度约为1.85 eV，室温下的载流子迁移率约为200 cm2·V-1·s-1，高达108的电流开关比[3-5]。此外，MoS2还具有谷极化的特性(因晶体结构的反演对称性被打破，而表现出现奇特的量子输运行为和对圆偏光的选择吸收的新奇特性)[6-8]。谷极化的发现为我们提供了除通过控制电子的电荷量和自旋角动量以外的一种全新的控制电子途径，同时也开辟了一个新的研究领域，为谷电子光电器件的应用奠定了基础[9-13]。

近年来，TMDs和其它二维材料进行组合，形成的范德华异质结不仅能保留材料本身的特点，而且还能弥补其不足，表现出新的特性，如将石墨烯和MoS2组合形成的异质结被广泛研究。Zhang W.等[14]制备的石墨烯/MoS2异质结，在室温环境下拥有107A·W-1光响应度和大约108光增益，可应用于光电探测领域。Cui X.等[15]将h-BN封装石墨烯作为欧姆电极的MoS2层构成的异质结，测试其在低温下的电子迁移率，结果表明材料低温性能受到长程和短程界面散射的共同影响，而不是此前认为的MoS2内部缺陷所致。Su W.J.等[16]将机械剥离的MoS2转移到石墨烯上组成异质结，研究MoS2/石墨异质结的I-V特性，发现可以通过改变MoS2的厚度来调节该异质结中势垒的大小。Xie L.等[17]用单层石墨烯接触单层MoS2制造出超短沟道场效应晶体管，该晶体管的沟道长度约为4 nm，但只显现出极小的短沟道效应，说明石墨烯和MoS2在纳米电子器件领域的巨大优势。使用不同方式组合出的异质结表现出显著的差异性。虽然对MoS2/石墨烯异质结已有许多报道，但基于不同偏振态圆偏振光对由MoS2和石墨烯构成的异质结的光电响应缺乏研究。本文通过对二维MoS2/石墨烯异质结施加不同偏振态的圆偏振光照射，使MoS2产生谷极化，从而探究该异质结对圆偏振光的光电响应。

1 MoS2/石墨烯异质结的制备和测试

使用改进的热丝化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)在石墨烯/SiO2/Si基底上制备二维MoS2薄膜。将摩尔比为1∶50的三氧化钼和硫的混合粉末作为反应物放入反应腔中，通过数次充入氩气并排出获得近似真空条件，利用化学气相沉积原理，在石墨烯/SiO2/Si基底上生长出二维MoS2薄膜。详细的制备方法和相关的表征结果参见文献[18]。在二维MoS2薄膜生长过程中，通过模板遮挡的方法以获得MoS2/石墨烯垂直异质结(参见图1)，之后在该异质结上用银胶制备欧姆接触的电极。用扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope，STM)对样品表面形貌进行表征，对其进行电学测试(CorrTestCS310I-V测试系统)。用不同偏振态圆偏振光照射，测量该垂直异质结对不同偏振态圆偏振光的I-V特性曲线和开路电压的变化规律，探究其在不同偏振态圆偏振光照射下的光电响应。

图1 MoS2/石墨烯异质结的光电测试结构示意图

实验分别在暗场(无光)和光照(圆偏振光)照射下进行。圆偏振光是He-Ne激光器(光功率最大为0.5 mW)发射波长为633 nm的红光，依次通过线偏振器和1/4波片调制产生。不同偏振态圆偏振光是通过转动线偏振器来改变其透振方向与1/4波片c轴(晶体的光轴)的夹角α来获得，本文将夹角α表示圆偏振光的偏振角。改变偏振角α的方式有两种，第一种是稳态测量，测量时所用偏振光的偏振角α每隔一定时间改变一定角度；第二种是连续测量，测量时偏振角α按照一定的恒定角速率连续变化照射器件。图1显示了异质结样品测试时的示意图，左上插图为电极放大图。上述测试均在室温下进行。

2 实验结果分析

图2 样品表面形貌STM扫描图

本实验方法制备出的MoS2薄膜，表面形貌分布存在一定的不均匀性。为此，制备异质结样品时选取原子层厚度的MoS2区域，以保证获得二维MoS2/石墨烯异质结，所以需要对异质结中MoS2薄膜的形貌进行测试。STM扫描获得的典型样品的表面形貌如图2所示，左上插图为剖面线对应高差。从图2中可以看出：测试区域比较均匀，满足本实验测试要求。薄膜的均匀性良好，且经剖面线确认，最薄处厚度约1.45 nm，仅2个MoS2原子层厚度，表明异质结中存在原子层厚度MoS2薄膜。本文实验进行的光电测试主要针对1.45 nm厚度的薄膜。

用两点法测试MoS2/石墨烯异质结在暗场和不同偏振态圆偏振光照射下的I-V曲线，如图3(a)所示。从图3(a)可以看出：样品的I-V曲线均呈现出类似PN结的伏安特性曲线，说明硅基上生长MoS2/石墨烯结构形成了异质结，显示出单向导通性[19]。此外，暗场下I-V曲线明显低于光照下的I-V曲线，表明光照下产生了由光电导效应引起光电流[20]。Su W.J.等[16]报道了可通过改变MoS2的厚度来调节MoS2/石墨烯异质结中势垒的大小，本文则是通过调节偏振光角度来控制MoS2/石墨异质结势垒大小以获得不同结电流。

在外加偏压U=0 V时，不同偏振角α下通过二维MoS2/石墨烯异质结的电流如图3(b)所示。可以看出：与暗场相比，光照时电流明显增加，体现了光电导效应。当U=0 V时,施加光照，I-V曲线的抬升是由于此时产生的光生载流子所致。

在外加偏压U=-0.4 V时，通过二维MoS2/石墨烯异质结的电流随偏振角α的变化曲线如图3(c)所示。由于测量条件的限制，实验数据存在一定偏差，但仍可以看出电流随偏振角α呈周期变化，且周期为π。图3(c)中的点是实验测量值，曲线是用正弦函数J∝Asin(2α-φ)-B(A，B，φ为拟合参数)的拟合值。设置U=-0.4 V是为了探究相同电场条件下，不同圆偏振光照射对光生载流子的影响。由图3(c)可知电流在α=45°附近时有极小值，在135°附近时有极大值，该实验现象可通过MoS2的谷选择二色性(谷极化)解释。根据电流公式J=nqvd[20](其中n为电子浓度，q为电子电荷量，vd为漂移电流速度)，可知电流的方向由vd的方向决定。在原子层厚度的MoS2薄膜系统中，由于电子的自旋和谷产生耦合，不同谷激发出的电子具有不同的自旋角动量，右旋和左旋圆偏振光分别对应激发K′和K谷中的电子[6-8]。本实验中将45°附近的圆偏振光视为右旋圆偏光，对应激发K′谷；将135°附近的圆偏振光视为左旋圆偏光，对应激发K谷。当偏振角α从45°变化到135°时，其激发的电子也由K′谷变化到K谷。由于不同谷中被激发的电子角动量存在差异，所以导致其在电流方向上的投影也随之变化。若假设在45°附近的右旋圆偏光激发下，电子速度的投影为-vd，则在135°附近时电子速度的投影为vd；90°附近是K′谷向K谷转化的中间位置，90°两侧电子速度的投影方向相反。由于在45°或135°附近(在仅有右旋或左旋圆偏振光激发K′或K谷电子时)，电子速度的投影方向与光电流方向同向或反向，则通过异质结的电流有极值；在90°附近时，通过该异质结的电流相对变化率大，这是由于90°附近是K′谷向K谷转化的位置，在经过90°时，电子速度的投影方向换向而导致大的电流相对变化率。上述结果表明2个谷间的非平衡带电载流子可以获得自旋耦合的谷极化，并且自旋耦合的谷极化光电流的大小和方向都依赖于入射圆偏振光偏振角[21]。

此外，实验还测量了不同偏振态圆偏振光照射下开路电压的变化规律，进一步研究二维MoS2/石墨烯异质结内电场对光生载流子的影响。在测量开路电压时，采用每隔100 s改变偏振角15°的稳态测量方法。异质结的开路电压随偏振角α的变化曲线如图3(d)所示，可以看出：开路电压随偏振角α也呈现周期性变化，周期为π/2。开路电压在45°和135°附近时有极大值，在0°，90°，180°附近时有极小值。对应于在仅有一个谷K′或K激发谷电子时，开路电压Vo c有极大值，而在K′谷和K谷激发电子的贡献相当时，对应于开路电压极小值，此结果与图3(c)一致。当MoS2/石墨烯异质结受光照时，本征吸收产生的电子-空穴对在势垒区内较强的内建电场的作用下，载流子向各自相反的方向运动。仅有一个谷K′或K激发谷电子时，相同自旋方向的电子被激发(投影速度-vd或者vd)，获得开路电压Vo c极大值；而同时激发K′和K谷电子时，相反自旋方向的电子同时被激发(投影速度-vd和vd)，相互抵消，产生开路电压Vo c极小值。

图3 MoS2/石墨烯异质结在不同偏振角α下的电学特性

使用相同工艺另外在SiO2/Si基底上制备原子层厚度MoS2薄膜，用银胶制备欧姆接触的平层电极，测量其开路电压随不同偏振态圆偏振光的变化规律并与异质结的结果进行比较。每隔15 s改变偏振角45°，得到图4(a)所示的开路电压Vo c和偏振角α之间的变化关系。可以看出：开路电压随偏振角α呈周期变化，周期为2π。在0°，360°附近时有极大值，在180°附近时有极小值。开路电压围绕图4(a)中零线上下波动，开路电压数值大小随偏振角α的关系曲线见图4(a)中插图。从插图可以看出：开路电压数值大小随偏振角α呈周期性变化，周期为π。当光照射半导体材料时，半导体在光照条件下会产生相应的光生电子-空穴对，产生光生载流子，载流子浓度会随光照发生相应的变化，从而导致电导率发生改变，进而影响样品的开路电压的测量值，该特性为半导体材料所具有的光电导效应[22]。二维MoS2薄膜对于不同偏振态圆偏振光的响应可以用二维MoS2的谷极化特性解释。图4(a)体现了二维MoS2谷极化特性，同时也进一步验证了开路电压和圆偏振光偏振态的相关性。

比较图3(d)和图4(a)可以发现：二维MoS2薄膜的开路电压随偏振角α的变化周期为π，而MoS2/石墨烯异质结的开路电压随偏振角α的变化周期为π/2。造成上述周期差异的原因在于MoS2/石墨烯异质结具有单向导通性，而二维MoS2薄膜不具有单向导通性。进一步验证了异质结开路电压大小不仅与材料有关，而且与MoS2/石墨烯异质结的内建电场有关。

此外，采用连续测量方式，即测量时偏振角α按照一定的恒定角速率(分别为1(°)/s，5(°)/s，10(°)/s)连续变化照射器件，得到开路电压Vo c随偏振角α的变化关系分别如图4(b)—(d)所示。当偏振角α以恒定角速率连续变化，开路电压随之发生周期性变化。值得注意的是，比较不同速率下的曲线可以看出：偏振角α变化速率由慢到快，Vo c-α曲线的周期性也变得愈发混乱，显示出二维MoS2对圆偏振光响应时间的影响。

图4 偏振角α以不同速率变化时开路电压的变化

每隔1 s关闭和开启激光，开路电压随时间的变化规律如图5(a)所示。在激光开启时，开路电压明显高于激光关闭时，本实验中相差约为3 mV，说明了MoS2薄膜有显著的光电导现象，其光电响应时间如图5(b)所示。从图5(b)中可以看出：上升时间(从关到开)或下降时间(从开到关)约20 ms[22-23]，与文献[23]的结果相当。

图5 开路电压变化

3 结束语

本文对由二维MoS2构成的垂直异质结施加不同偏振态圆偏振光照射，并进行光电响应测试，通过实验发现异质结的电流和开路电压均随偏振光的改变表现出周期性变化。本文的研究结果表明外加偏振光可引起二维MoS2基器件的谷极化效应，为谷电子器件的实现提供了新的思路和实验依据。后续研究中，将继续探究时滞性对二维MoS2光电性能的影响。