客户成果丨华南师范大学《Nanoscale》：垂直堆叠的硒化铋/二碲化钼异质结构

近年来，基于二维材料的隧道异质结由于其灵活的堆叠、光学灵敏度、可调的探测带和高度可控的电导率行为，该种隧道异质结正逐步成为逻辑电路和光探测的多功能结构。然而，现有的结构主要集中在过渡或后过渡金属硫族化合物上，很少研究基于拓扑绝缘体(如Bi₂Se₃或Bi₂Te₃)的隧道异质结构。同时，由于层间间距短且相互作用强，机械剥离拓扑绝缘体纳米薄片具有一定的挑战性。

为了解决这一问题，华南师范大学高伟课题组提出了一种金（Au）辅助剥离和非破坏性的转移方法来制备大规模Bi₂Se₃薄纳米片。此外，通过干法转移将2H-MoTe₂和Bi₂Se₃结合，该团队设计了一种新型的隧道异质结构。由于实现了波段对准，该偏n型的双极性器件在V_ds为1 V时表现出明显的整流行为。通过泊松方程的数值解和实验数据的比较，证实了由于带隙偏大，内置电压超过~0.7 eV。该器件具有~0.2 pA的超低暗电流、I_light/I_dark ≈10⁶的较为优越的开关比、快速响应时间为21 ms和零偏置下的7.2 × 10¹¹ Jones可见光比探测率。

图1 异质结器件结构、形貌、拉曼光谱和晶体质量 (a) Bi₂Se₃/MoTe₂异质结(器件i)示意图。(b) 侧视图光学图像。(c) Bi₂Se₃、MoTe₂及其异质结之间的拉曼位移。(d) Bi₂Se₃和 (e) MoTe₂分别沿剑桥蓝和深蓝方向的拓扑AFM图像。(f) 图1 (b) 红色矩形中Bi₂Se₃和MoTe₂在72 cm^-1处和233 cm^-1处的拉曼映射峰。(g) 脱落的Bi₂Se₃和 (h) MoTe₂纳米片的HRTEM图像；蓝色和黄色的点分别代表Mo和Te原子的列。(i) 由异质结的HRTEM变换而成的选择区电子衍射(SAED)图。

在实验开始时，高伟课题组的团队先采用了金（Au）辅助剥离和非破坏性的转移方法来制备大规模Bi₂Se₃薄纳米片，之后通过干法转移将2H-MoTe₂和Bi₂Se₃结合，获得了一种新的隧穿异质结构。为了验证该种新型隧穿异质结的光电性质，团队使用托托科技的TTT-07-UV Litho-ACA（最小线宽：0.8μm）无掩膜版紫外光刻机在粘有材料的衬底上光刻出预先设计好的电极图案，从而获得具有优良特性的新型隧穿异质结。

图2 接触前后Bi₂Se₃、MoTe₂和异质结构的电学特性和能带对 (a) MoTe₂, (b) Bi₂Se₃和 (c) Bi₂Se₃/MoTe₂ FETs的转移曲线。(a) 和 (b) 中的插图是在-60 V ~ 60 V范围内不同栅极电压下的输出曲线，步进为30 V。(d）Bi₂Se₃/MoTe₂异质结在接触前后的能带对准。

图3 异质结器件的光电特性。(a) 在405 nm、(b) 635 nm和 (c) 1310 nm照明下不同强度下的Is-V_ds曲线。(d) 随时间变化的光响应曲线在405 nm、635 nm和1310 nm下，V_ds = 0 V的不同强度下。在405 nm、(e) 635 nm 和 (f) 1310 nm照明下，V_ds = 0 V和+0.5 V光功率密度与响应度和光电流曲线有关。(g) 在405nm、(h) 635nm 和 (i) 1310nm照明下，V_ds = 0 V和+0.5 V时EQE和比探测率随光功率密度的变化规律。

高伟课题组团队利用新型的金（Au）辅助剥离/转移方法和干法转移，成功制备了多层双极MoTe₂ /n⁺-Bi₂Se₃异质结器件，并使用AFM分析证实所选Bi₂Se₃和MoTe₂的厚度分别为12.4 nm和19.4 nm。拉曼光谱和透射电镜结果也表明，该材料的晶体质量高，层间耦合强，晶格匹配好，异质结构的I_ds-V_ds特性在V_ds 为-1 ~ 1v的范围内表现出不同的整流比。在0.3 V微小的V_ds下，离子Ion/Ioff内径比为~1.1 x 10²时，异质结构的双极性电导率行为也得到了证实。与传统的p-n结通过少数载流子扩散工作不同，这种断隙vdWs异质结构的输运机制由热离子发射、DT隧穿和FNT隧穿组成，隧穿势垒高度为~0.38 eV。此外，在照明条件下，该系统具有92 mA W^-1的高R_{405 nm}、超过106的兼容光暗比 I_light/I_dark、7.21 × 10¹¹ Jones的高比探测率和21 ms的快速响应时间。同时，该器件具有带偏或无偏检测宽带频谱(405 nm-1550 nm)的能力，在光学成像和成像传感器等领域具有潜在的应用前景。

综上所述，高伟课题组的研究成果：新型金（Au）辅助剥离和转移方法有望扩展到任何其他特殊的二维材料，如1T'-WTe₂, Bi₂Te₃和1T'-PtTe₂等。

相关成果以“Vertically Stacked Bi₂Se₃/MoTe₂ Heterostructure with Large Band Offsets for Nanoelectronics”为题发表在期刊《Nanotescale》上，得到了国家自然科学基金、吉林省自然科学基金、中国博士后科学基金等项目的支持。

论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/nr/d1nr04281e#!