High-performance Two-dimensional Tungsten Diselenide-based Photodetector

doi:10.7503/cjcu20230217

Abstract

Abstract:

Two-dimensional transition-metal dichalcogenides（TMDs） have gained widespread attention in the research field of nano-photodetectors. In this work， two-dimensional tungsten diselenide（WSe₂） materials were prepared by physical vapor deposition（PVD）. Different conductivity types and better electrical properties were demonstrated by comparison with materials prepared by chemical vapor deposition（CVD） methods. Meanwhile， a pn junction device composed of the same WSe₂ material was prepared by using the properties of p-type and n-type conductivity of the materials obtained by two different processes. The test has proved that the device has unidirectional rectification under dark conditions and extremely sensitive response to light， which proves that WSe₂ has broad development prospects in the field of optoelectronic device applications.

Key words: Two-dimensional WSe₂, Physical vapor deposition, pn Junction, Photodetector

CLC Number:

O613

TrendMD:

LIU Xiangyu, TANG Jiaqi, TAN Zhifu, PAN Caofeng. High-performance Two-dimensional Tungsten Diselenide-based Photodetector[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(10): 20230217.

Figures/Tables 5

References 86

1	Geim A. K.， Science， 2009， 324， 1530—1534
2	Geim A. K.， Novoselov K. S.， Nat. Mater.， 2007， 6， 183—191
3	Bai Y.， Sun L.， Yu Q.， Lei Y.， Liu B.， Nano Research Energy， 2023， 2， e9120043
4	Zhang M.， Yuan J.， Nano Research Energy， 2022， 1， e9120035
5	Ci H.， Shi Z.， Wang M.， He Y.， Sun J.， Nano Research Energy， 2023， 2， e9120054
6	Ren J.， Zhang W.， Wang Y.， Wang Y.， Zhou J.， Dai L.， Xu M.， InfoMat， 2019， 1， 396—406
7	Bhimanapati G. R.， Lin Z.， Meunier V.， Jung Y.， Cha J.， Das S.， Xiao D.， Son Y.， Strano M. S.， Cooper V. R.， Liang L.， Louie S. G.， Ringe E.， Zhou W.， Kim S. S.， Naik R. R.， Sumpter B. G.， Terrones H.， Xia F.， Wang Y.， Zhu J.， Akinwande D.， Alem N.， Schuller J. A.， Schaak R. E.， Terrones M.， Robinson J. A.， ACS Nano， 2015， 9， 11509—11539
8	Chhowalla M.， Shin H. S.， Eda G.， Li L. J.， Loh K. P.， Zhang H.， Nat. Chem.， 2013， 5， 263—275
9	Safaei J.， Wang G.， Nano Research Energy， 2022， 1， e9120008
10	Park S.， Kim Y. H.， Kang S.， Lim D.， Park J.， Jang D.， Choi S.， Kim J.， Han S.， Lee T. W.， Park S.， Small Sci.， 2021， 1， 200242
11	Wu J.， Ma H.， Yin P.， Ge Y.， Zhang Y.， Li L.， Zhang H.， Lin H.， Small Sci.， 2021， 1， 200053
12	Liu Y.， Bao R.， Tao J.， Li J.， Dong M.， Pan C.， Sci. Bull.， 2020， 65， 70—88
13	Choi W.， Choudhary N.， Han G. H.， Park J.， Akinwande D.， Lee Y. H.， Mater. Today， 2017， 20， 116—130
14	Tan C.， Zhang H.， Chem. Soc. Rev.， 2015， 44， 2713—2731
15	Ugeda M. M.， Bradley A. J.， Shi S. F.， Da Jornada F. H.， Zhang Y.， Qiu D. Y.， Ruan W.， Mo S. K.， Hussain Z.， Shen Z. X.， Wang F.， Louie S. G.， Crommie M. F.， Nat. Mater.， 2014， 13， 1091—1095
16	Zhang Q.， Zuo S.， Chen P.， Pan C.， InfoMat， 2021， 3， 987—1007
17	Wang Y.， Ren B.， Zhen Ou J.， Xu K.， Yang C.， Li Y.， Zhang H.， Sci. Bull.， 2021， 66， 1228—1252
18	Zhou R.， Hu G.， Yu R.， Pan C.， Wang Z. L.， Nano Energy， 2015， 12， 588—596
19	Wang Z.， Yu R.， Pan C.， Liu Y.， Ding Y.， Wang Z. L.， Adv. Mater.， 2015， 27， 1553—1560
20	Li X.， Chen M.， Yu R.， Zhang T.， Song D.， Liang R.， Zhang Q.， Cheng S.， Dong L.， Pan A.， Wang Z. L.， Zhu J.， Pan C.， Adv. Mater.， 2015， 27， 4447—4453
21	Lopez Sanchez O.， Lembke D.， Kayci M.， Radenovic A.， Kis A.， Nat. Nanotechnol.， 2013， 8， 497—501
22	Splendiani A.， Sun L.， Zhang Y.， Li T.， Kim J.， Chim C. Y.， Galli G.， Wang F.， Nano Lett.， 2010， 10， 1271—1275
23	Wang Q. H.， Kalantar Zadeh K.， Kis A.， Coleman J. N.， Strano M. S.， Nat. Nanotechnol.， 2012， 7， 699—712
24	Kang J.， Tongay S.， Zhou J.， Li J.， Wu J.， Appl. Phys. Lett.， 2013， 102， 012111
25	Radisavljevic B.， Kis A.， Nat. Mater.， 2013， 12， 815—820
26	Li J.， Yuan Z.， Han X.， Wang C.， Huo Z.， Lu Q.， Xiong M.， Ma X.， Gao W.， Pan C.， Small Sci.， 2022， 2， 2100083
27	Bao R.， Tao J.， Pan C.， Wang Z. L.， Small Sci.， 2021， 1， 2000060
28	Wang C.， Ma R.， Peng D.， Liu X.， Li J.， Jin B.， Shan A.， Fu Y.， Dong L.， Gao W.， Wang Z. L.， Pan C.， InfoMat， 2021， 3， 1272—1284
29	Liu J.， Zhang Z.， Qiao S.， Fu G.， Wang S.， Pan C.， Sci. Bull.， 2020， 65， 477—485
30	Wen X.， Wu W.， Pan C.， Hu Y.， Yang Q.， Lin Wang Z.， Nano Energy， 2015， 14， 276—295
31	Watson A. J.， Lu W.， Guimaraes M. H. D.， Stohr M.， 2D Mater.， 2021， 8（3）， 032001
32	Kim K. S.， Zhao Y.， Jang H.， Lee S. Y.， Kim J. M.， Kim K. S.， Ahn J. H.， Kim P.， Choi J. Y.， Hong B. H.， Nature， 2009， 457， 706—710
33	Li J.， Wang S.， Li L.， Wei Z.， Wang Q.， Sun H.， Tian J.， Guo Y.， Liu J.， Yu H.， Li N.， Long G.， Bai X.， Yang W.， Yang R.， Shi D.， Zhang G.， Small Sci.， 2022， 2， 2200062
34	Yang H. C.， Zhang S. R.， Yu D. B.， Li K. S.， Yang Y. F.， Hu Q. X.， Luo Y.， Li H. W.， Rare Metals， 2021， 40， 1198—1202
35	Feng Q.， Mao N.， Wu J.， Xu H.， Wang C.， Zhang J.， Xie L.， ACS Nano， 2015， 9， 7450—7455
36	Cao Y. D.， Sun Y. H.， Shi S. F.， Wang R. M.， Rare Metals， 2021， 40， 3357—3374
37	Liu X.， Yang X.， Gao G.， Yang Z.， Liu H.， Li Q.， Lou Z.， Shen G.， Liao L.， Pan C.， Lin Wang Z.， ACS Nano， 2016， 10， 7451—7457
38	Brongersma M. L.， Halas N. J.， Nordlander P.， Nat. Nanotechnol.， 2015， 10， 25—34
39	Koppens F. H. L.， Mueller T.， Avouris P.， Ferrari A. C.， Vitiello M. S.， Polini M.， Nat. Nanotechnol.， 2014， 9， 780—793
40	Cai X.， Wang S.， Peng L. M.， Nano Research Energy， 2023， 2， e9120058
41	Vanorman Z. A.， Nienhaus L.， Infomat， 2021， 3， 962—986
42	Wang F.， Yang S.， Wu J.， Hu X.， Li Y.， Li H.， Liu X.， Luo J.， Zhai T.， Infomat， 2021， 3， 1251—1271
43	Zuo S. L.， Chen P.， Pan C. F.， Rare Metals， 2020， 39， 1113—1126
44	Ge G.， Lu Y.， Qu X.， Zhao W.， Ren Y.， Wang W.， Wang Q.， Huang W.， Dong X.， ACS Nano， 2020， 14， 218—228
45	Ge G.， Yuan W.， Zhao W.， Lu Y.， Zhang Y.， Wang W.， Chen P.， Huang W.， Si W.， Dong X.， J. Mater. Chem. A， 2019， 7， 5949—5956
46	Liu R.， Wang F.， Liu L.， He X.， Chen J.， Li Y.， Zhai T.， Small Structures， 2021， 2， 2000136
47	Lou Z.， Shen G.， Small Structures， 2021， 2， 2000152
48	Li F.， Xia Z.， Pan C.， Gong Y.， Gu L.， Liu Q.， Zhang J. Z.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2018， 10， 11739—11746
49	Buscema M.， Groenendijk D. J.， Blanter S. I.， Steele G. A.， Van Der Zant H. S. J.， Castellanos Gomez A.， Nano Lett.， 2014， 14， 3347—3352
50	Choi M. S.， Qu D.， Lee D.， Liu X.， Watanabe K.， Taniguchi T.， Yoo W. J.， ACS Nano， 2014， 8， 9332—9340
51	Huo N.， Konstantatos G.， Nat. Commun.， 2017， 8， 572
52	Lu Y.， Qu X.， Zhao W.， Ren Y.， Si W.， Wang W.， Wang Q.， Huang W.， Dong X.， Research， 2020， 2020， 2038560
53	Peng D.， Liu X.， Pan C.， Sci. Bull.， 2021， 66， 6—8
54	Baugher B. W. H.， Churchill H. O. H.， Yang Y.， Jarillo Herrero P.， Nat. Nanotechnol.， 2014， 9， 262—267
55	Li H.， Ye L.， Xu J.， ACS Photonics， 2017， 4， 823—829
56	Wei X.， Yan F.， Lv Q.， Shen C.， Wang K.， Nanoscale， 2017， 9， 8388—8392
57	Lu J.， Deng Z.， Ye Q.， Zheng Z.， Yao J.， Yang G.， Small Methods， 2022， 6， 2101046
58	Zhang G.， Ou X.， Yang J.， Tang Y.， Small Methods， 2021， 5， 2101374
59	Sarkar D.， Xie X.， Kang J.， Zhang H.， Liu W.， Navarrete J.， Moskovits M.， Banerjee K.， Nano Lett.， 2015， 15， 2852—2862
60	Islam M. A.， Kim J. H.， Ko T. J.， Noh C.， Nehate S.， Kaium M. G.， Ko M.， Fox D.， Zhai L.， Cho C. H.， Sundaram K. B.， Bae T. S.， Jung Y.， Chungg H. S.， Jung Y.， Nanoscale， 2018， 10， 17525—17533
61	Zhang T.， Fujisawa K.， Granzier Nakajima T.， Zhang F.， Lin Z.， Kahn E.， Perea Lopez N.， Elias A. L.， Yeh Y. T.， Terrones M.， ACS Appl. Nano Mater.， 2019， 2， 5320—5328
62	Li F.， Wang X.， Xia Z.， Pan C.， Liu Q.， Adv. Funct. Mater.， 2017， 27， 1700051
63	Li S.， Yang G.， Ge P.， Lin H.， Wang Q.， Ren X.， Luo S.， Philo D.， Chang K.， Ye J.， Small Methods， 2021， 5， 2001018
64	Najafi L.， Romano V.， Oropesa⁃Nunez R.， Prato M.， Lauciello S.， D'angelo G.， Bellani S.， Bonaccorso F.， Small Struct.， 2021， 2（3）， 2000098
65	Huang J. K.， Pu J.， Hsu C. L.， Chiu M. H.， Juang Z. Y.， Chang Y. H.， Chang W. H.， Iwasa Y.， Takenobu T.， Li L. J.， ACS Nano， 2014， 8， 923—930
66	Ramasubramaniam A.， Phys. Rev. B， 2012， 86， 115409
67	Liu X.， Liang R.， Gao G.， Pan C.， Jiang C.， Xu Q.， Luo J.， Zou X.， Yang Z.， Liao L.， Wang Z. L.， Adv. Mater.， 2018， 30， 1800932
68	Chuang H. J.， Chamlagain B.， Koehler M.， Perera M. M.， Yan J.， Mandrus D.， Tomanek D.， Zhou Z.， Nano Lett.， 2016， 16， 1896—1902
69	Shen P. C.， Su C.， Lin Y.， Chou A. S.， Cheng C. C.， Park J. H.， Chiu M. H.， Lu A. Y.， Tang H. L.， Tavakoli M. M.， Pitner G.， Ji X.， Cai Z.， Mao N.， Wang J.， Tung V.， Li J.， Bokor J.， Zettl A.， Wu C. I.， Palacios T.， Li L. J.， Kong J.， Nature， 2021， 593， 211—217
70	Zhou J.， Gu Y.， Fei P.， Mai W.， Gao Y.， Yang R.， Bao G.， Wang Z. L.， Nano Lett.， 2008， 8， 3035—3040
71	Fan Z. Q.， Jiang X. W.， Luo J. W.， Jiao L. Y.， Huang R.， Li S. S.， Wang L. W.， Phys. Rev. B， 2017， 96， 165402
72	Guo Y.， Liu D.， Robertson J.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2015， 7， 25709—25715
73	Ke J. A.， Garaj S.， Gradescak S.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2019， 11， 26228—26234
74	Verhagen T.， Guerra V. L. P.， Haider G.， Kalbac M.， Vejpravova J.， Nanoscale， 2020， 12， 3019—3028
75	Longo R. C.， Addou R.， Santosh K. C.， Noh J. Y.， Smyth C. M.， Barrera D.， Zhang C.， Hsu J. W. P.， Wallace R. M.， Cho K.， 2D Mater.， 2017， 4（2）， 025050
76	Barja S.， Refaely Abramson S.， Schuler B.， Qiu D. Y.， Pulkin A.， Wickenburg S.， Ryu H.， Ugeda M. M.， Kastl C.， Chen C.， Hwang C.， Schwartzberg A.， Aloni S.， Mo S. K.， Ogletree D. F.， Crommie M. F.， Yazyev O. V.， Louie S. G.， Neaton J. B.， Weber Bargioni A.， Nat. Commun.， 2019， 10， 3382
77	Lin Y. C.， Komsa H. P.， Yeh C. H.， Bjorkman T.， Liang Z. Y.， Ho C. H.， Huang Y. S.， Chiu P. W.， Krasheninnikov A. V.， Suenaga K.， ACS Nano， 2015， 9， 11249—11257
78	Song X.， Wang Y.， Zhao F.， Li Q.， Huy Quang T.， Ruemmeli M. H.， Tully C. G.， Li Z.， Yin W. J.， Yang L.， Lee K. B.， Yang J.， Bozkurt I.， Liu S.， Zhang W.， Chhowalla M.， ACS Nano， 2019， 13， 8312—8319
79	Le Quang T.， Cherkez V.， Nogajewski K.， Potemski M.， Dau M. T.， Jamet M.， Mallet P.， Veuillen J. Y.， 2D Materials， 2017， 4（3）， 035019
80	Du J.， Xia C.， Xiong W.， Wang T.， Jia Y.， Li J.， Nanoscale， 2017， 9， 17585—17592
81	Alvarez A. O.， Ravishankar S.， Fabregat Santiago F.， Small Methods， 2021， 5， 2100661
82	Li F.， Benetti D.， Zhang M.， Feng J.， Wei Q.， Rosei F.， Small Methods， 2021， 5， 2100209
83	Li J.， Yang X.， Liu Y.， Huang B.， Wu R.， Zhang Z.， Zhao B.， Ma H.， Dang W.， Wei Z.， Wang K.， Lin Z.， Yan X.， Sun M.， Li B.， Pan X.， Luo J.， Zhang G.， Liu Y.， Huang Y.， Duan X.， Duan X.， Nature， 2020， 579， 368—374
84	Wang J.， Fang H.， Wang X.， Chen X.， Lu W.， Hu W.， Small， 2017， 13， 1700894
85	Duan X.， Wang C.， Pan A.， Yu R.， Duan X.， Chem. Soc. Rev.， 2015， 44， 8859—8876
86	Han X.， Xu Z.， Wu W.， Liu X.， Yan P.， Pan C.， Small Struct.， 2020， 1（3）， 2000029

[1]	LIANG Xuejing, ZHAO Fulai, WANG Yu, ZHANG Yichao, WANG Yaling, FENG Yiyu, FENG Wei. Preparation and Photoelectric Properties of Germanium Sulphoselenide Photodetector [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(8): 2661.
[2]	HUANG Wenjuan, HOU Huayi, CHEN Xiangbai, ZHAI Tianyou. Synthesis of InSe Nanoflakes with Near-infrared Photoresponse Grown by Chemical Vapor Deposition ^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(4): 682.
[3]	ZHANG Wen-Yi, XIAO Xin-Ze, LIU Xue-Qing, ZHANG Ran, XU Ying. Preparation and Quality of SERS Test Strips [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2013, 34(6): 1385.