Interplay of charge transfer and disorder in optoelectronic response in Graphene/hBN/MoS2 van der Waals heterostructures

异质结 石墨烯 范德瓦尔斯力 材料科学 光电子学 凝聚态物理 响应度 半导体 纳米技术 物理 光电探测器 化学 分子 有机化学
作者
Tanweer Ahmed,Kallol Roy,Saloni Kakkar,Avradip Pradhan,Arindam Ghosh
出处
期刊:2D materials [IOP Publishing]
卷期号:7 (2): 025043-025043 被引量:37
标识
DOI:10.1088/2053-1583/ab771f
摘要

Strong optoelectronic response in the binary van der Waals heterostructures of graphene and transition metal dichalcogenides (TMDCs) is an emerging route towards high-sensitivity light sensing. While the high sensitivity is an effect of photogating of graphene due to inter-layer transfer of photo-excited carriers, the impact of intrinisic defects, such as traps and mid-gap states in the chalcogen layer remain largely unexplored. Here we employ graphene/hBN (hexagonal boron nitride)/MoS2 (molybdenum disulphide) trilayer heterostructures to explore the photogating mechanism, where the hBN layer acts as interfacial barrier to tune the charge transfer timescale. We find two new features in the photoresponse: First, an unexpected positive component in photoconductance upon illumination at short times that preceeds the conventional negative photoconductance due to charge transfer, and second, a strong negative photoresponse at infrared wavelengths (up to 1720 nm) well-below the band gap of single layer MoS2. Detailed time and gate voltage-dependence of the photoconductance indicates optically-driven charging of trap states as possible origin of these observations. The responsivity of the trilayer structure in the infrared regime was found to be extremely large (> 108 A/W at 1550 nm using 20 mV source drain bias at 180 K temperature and ≈ −30 V back gate voltage). Our experiment demonstrates that interface engineering in the optically sensitive van der Waals heterostructures may cast crucial insight onto both inter- and intra-layer charge reorganization processes in graphene/TMDC heterostructures.
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