石墨烯因其高载流子迁移率和宽光谱吸收范围而广泛应用于光电探测。然而，其低光吸收率导致的高暗电流严重限制了它的光电探测性能。钼基二硫族化合物（MoX₂，X = S、Se和Te）具有高的吸收系数，能够弥补石墨烯基光电探测器中暗电流较高的劣势，因此基于石墨烯/MoX₂范德华异质结的光电探测器能够表现出优异的光电子特性。

南京工业大学、澳大利亚昆士兰科技大学（Queensland University of Technology）和重庆大学组成的科研团队介绍了石墨烯/钼基二硫族化合物范德华异质结光电探测器的制备方法和性能增强策略，并对这类异质结光电探测器当前面临的挑战及未来的发展方向做了探讨。相关研究内容以“Advances in graphene/molybdenum dichalcogenide-based van der Waals heterostructure photodetectors”为题发表在New Carbon Materials期刊上。

工作原理

在基于二维材料的光电探测器中，从光信号到电信号的信号转换过程可以分为3个步骤：（1）当入射光子在光捕获过程后被感光材料吸收时，光激发电子从光敏材料的价带（VB）传递到导带（CB），并在VB中留下空穴。在这一步中，具有高吸收系数和宽光谱吸收范围的材料在提高基于二维材料的光电探测器的性能方面发挥着重要作用。（2）在外加电场或异质结构界面形成的内电场下，光致电子-空穴对可以分离，不同的载流子沿着导通路径向相应的电极移动。在此步骤中，材料的高载流子迁移率（μ）有助于实现高光电性能。（3）电荷载流子到达电极后，根据不同电极的配置，可以提取电荷载流子并传导到外部电路并产生光电流。因此，可以看出，高性能光电探测器需要具有高μ、高吸收系数、宽光谱吸收范围的材料。为了提高石墨烯基光电探测器的探测率（D*），将不同的光敏材料与石墨烯合成，形成二维范德华异质结构（vdWHs），相关总结如图1所示。

图1 基于范德华异质结构的石墨烯基二维光电探测器与不同光敏材料的探测率

范德华异质结构光电探测器中的光电流可以通过3种效应产生，即光电导效应、光热电效应和光伏效应。光电导效应，又称光电效应和光敏效应，是光引起半导体材料电导变化的现象，如图2a所示。光伏效应是指光在不均匀的半导体之间或半导体与金属的不同部分之间引起电位差的现象，如图2b所示。光热电效应是一种新的光电响应机制，其中光激发材料中产生的热载流子浓度和温度梯度可以驱动载流子运动形成光电流，如图2c所示。

图2 石墨烯/二卤化钼（MoX₂、X=S、Se和Te）界面的（a）光电效应、（b）光伏效应和（c）光热电效应的能带示意图

高性能光电探测器需要高响应效率（R）、快速响应速度和高响应灵敏度。

光电探测器结构

图3显示了横向和垂直石墨烯/MoX₂范德华异质结构光电探测器的结构示意图，其中包括衬底（Si和额外的非晶SiO₂层）、半导体薄膜（石墨烯）、光吸收层（MoX₂）和栅极/源极/漏极。在石墨烯/MoX₂范德华异质结构光电探测器中，非晶SiO₂层有利于石墨烯层的沉积，有助于良好的结构稳定性。石墨烯的高μ使其成为半导体薄膜的良好候选者。

图3 横向和垂直石墨烯/二卤化钼（MoX，X₂=S，Se和Te）范德华异质结构光电探测器的结构示意图

石墨烯/MoX₂范德华异质结构的制备方法

石墨烯/MoX₂范德华异质结构可以通过湿转印、干转印、喷墨打印和连续沉积成功制备（如图4）。湿转印过程示意图如图4a所示；干式转印方法依靠粘性聚合物将任意二维材料转移到另一种二维材料的表面（如图4b）。除了湿式和干式转印方法外，喷墨打印还可以通过直接逐层打印材料来制造石墨烯/MoX₂范德华异质结构（如图4c）；连续沉积是将沉积循环两次以制备异质结构（图4d）。

图4 石墨烯/二卤化钼（MoX，X₂=S，Se和Te）范德华异质结构的制备方法

性能工程策略

界面清理

异质结构中干净的界面可以减少电荷阱的数量，有助于光生载流子的有效转移，增强光电流，从而提高光电探测器的R。简易的湿转移方法被广泛用于石墨烯/MoX₂范德华异质结构的制备，这不可避免地会在石墨烯/MoX₂的界面处产生污染。

阻断层间耦合

在光生电子-空穴对的分离过程中，光生空穴很容易被石墨烯和MoX₂堆叠过程中形成的层间耦合所消耗。以石墨烯/MoS₂范德华异质结构光电探测器为例，阻断层间耦合可以避免光生空穴扩散到石墨烯中的消耗，有效加速载流子迁移，增强石墨烯/MoX₂范德华异质结构的光电流。

内部电场建设

内部电场可以通过石墨烯通道驱动MoX₂中的光生电子-空穴对，提高μ值并增强光电探测器的光电流。

肖特基屏障去除

由于石墨烯（4.3 eV）的功函数接近MoS₂（4.2 eV）的电子亲和力，因此在石墨烯/MoX₂范德华异质结构的石墨烯/MoX₂界面上存在肖特基势垒。虽然在上述光热电效应中，石墨烯与MoX₂接触时存在的肖特基势垒不会对热电子的发射造成障碍，但肖特基势垒会阻止光电导和光伏器件中光生载流子的迁移。因此，降低肖特基势垒可以使更多的光生空穴从MoX₂传输到石墨烯，并产生更高的光电流。

结论与展望

石墨烯/MoX₂范德华异质结构光电探测器同时具有高μ、宽光谱吸收范围和高电极接触质量等特点，在现代电子学中得到了广泛的应用。本文对石墨烯/MoX₂范德华异质结构光电探测器进行了综述。随着光电探测器的显著发展，包括制备方法和性能增强策略，石墨烯/MoS₂/WS₂范德华异质结构光电探测器的R已接近6.6×10¹⁰ mA/W。然而，一些关键挑战仍有待进一步克服：（1）从性能上看，接近高响应效率、高响应灵敏度、快速响应速度以满足不同应用的需求具有重要意义；（2）高质量的石墨烯是高灵敏度光电探测器的基础；（3）保持范德华异质结构界面清洁对于提高光电探测器的性能是必要的；（4）二维材料容易吸附空气中的水和氧分子，特别是硒和钼的化合物，从而降低光电探测器的性能，例如降低其响应速度和稳定性。