Advanced Optical Materials| 石墨烯集成不对称PtTe₂-WSe₂范德华异质结实现可重构双向光电晶体管

研究背景

相较于传统硅基技术，二维过渡金属硫化物（TMDs）凭借其原子层厚度和层数可调的带隙特性，成为构建功能更为丰富的可重构光电器件的理想材料平台。这类材料不仅支持栅压对载流子极性及浓度的灵活调控，还可通过异质结互补设计和光响应编程，实现多样化功能。近年来，基于金属-半导体接触的肖特基结作为基础单元，在自驱动与极性反转方面取得了显著进展。通过势垒工程的非对称设计，可在双肖特基结中构建可逆的电荷收集路径，从而实现对光电响应方向的调控。然而，传统三维金属与二维半导体所形成的结构普遍存在化学无序和强烈的费米能级钉扎效应，这严重制约了肖特基势垒高度的调控范围，进而限制了器件性能的进一步提升。特别值得注意的是，要实现可逆的电场调控，必须控制范德华异质结的材料厚度范围，以充分发挥层间范德华作用，避免三维金属电极所带来的电场竞争效应。因此，开发兼具优异光电性能、高稳定性的材料体系，已成为推动可重构光电器件走向大规模制备与应用的关键所在。

研究内容

为解决上述技术难题，华南师范大学电子科学与工程学院（微电子学院）高伟副研究员课题组联合中国科学技术大学、广州大学研究团队，创新性地采用全二维范德华异质结结构，通过将半金属PtTe₂、多层石墨烯（MLG）与半导体WSe₂沟道进行非对称接触集成，成功研制出一种高性能可重构光电晶体管。该器件以底层PtTe₂作为接触电极，利用其屏蔽效应稳定费米能级，在与双极性WSe₂沟道耦合时可有效引导内建电场的可控反转；在此基础上引入多层石墨烯作为顶部非对称接触电极，进一步实现了PtTe₂/WSe₂异质结处肖特基势垒的栅压动态调控。实验结果表明，所制备的器件表现出优异的可重构特性：其整流比可在10^-3至10³的宽达六个数量级范围内灵活调控；作为自驱动光电探测器，在635 nm波长光照下展现出显著的栅压可调双向光伏效应，在栅压为-60 V、0 V和60 V时，响应度分别达到153 mA/W、-497 mA/W和-511 mA/W。通过协同调控栅压、偏压与光照三个参数，该器件成功实现了XNOR、AND和OR多种光电逻辑功能。研究团队进一步构建了栅压可调半波整流电路和单像素传感系统，验证了其在电学逻辑与传感方面的应用潜力，为发展高集成度、高效率的内传感技术系统提供了新的技术路径。

图文导读

该研究采用机械剥离与干法转移技术，将PtTe₂、WSe₂及MLG依次精准转移至二氧化硅/硅衬底上，从而逐层构筑出全二维范德华异质结。根据开尔文探针力显微镜（KPFM）的测量结果，WSe₂表现出比MLG更高的表面电势，两者电势差为18 mV。对比分析进一步表明，WSe₂的表面电势显著高于PtTe₂，且差值更为突出，达到110 mV。该KPFM图像清晰展示了具有不同电势差的双肖特基结，证实了非对称接触的成功构建。

Fig. 1 | PtTe₂/WSe₂/MLG异质结的表征。(a)器件结构示意图。(b)光学图像。(c)PtTe₂、PtTe₂/WSe₂异质结及WSe₂的拉曼光谱；插图为MLG的拉曼光谱。(d)低倍扫描电子显微镜(SEM)图像及元素分布图。(e)原子力显微镜(AFM)图像，箭头所示位置对应材料厚度。(f)开尔文探针力显微镜(KPFM)图像。(g)MLG/WSe₂与PtTe₂/WSe₂界面的表面电位分布图。(h)能带示意图。

如图二所示，转移特性中，正偏压下呈现n型传输行为，负偏压下呈现p型传输行为，证实栅压可调制的载流子极性反转特性。栅压为-60 V，呈现反向整流，源漏电流峰值达55 nA；栅压为0V，为极性中性点，显示高阻态特性；栅压为60 V，转为正向整流，源漏电流峰值达5 nA。构建基于该器件的半波整流电路在正栅压区间（-60 V至-20 V）实现正半波整流；在负栅压区间（-40 V至-60 V）实现负半波整流。PtTe₂/WSe₂结通过宽肖特基势垒调控内建电场，MLG/WSe₂结以隧穿为主导注入，二者协同实现可重构整流。

观察到的不对称的光电流响应源于非对称接触结构中光生载流子的分布差异。时间响应曲线进一步证实了稳定可靠的光电开关行为，在栅压为-60 V、0 V和60 V时，短路电流分别稳定在1 nA、-9 nA和-20 nA。通过扫描光电流测量揭示了不同栅压下主导的光电流产生机制。栅压为-60 V时，光电流由MLG/WSe₂和PtTe₂/WSe₂两个界面协同作用产生。栅压为0 V时，光电流被限制在WSe₂沟道内。栅压为60 V时，光电流高度局域化在PtTe₂/WSe₂结，内建电场被栅压显著增强，从而实现高效的电荷分离。

系统评估了器件在635 nm光照下的综合可重构光电性能，包括光电流-光强依赖特性、响应度、探测率、量子效率及响应速度等关键指标。栅压为60 V时各项性能参数最优，而栅压为-60 V时因MLG/WSe₂界面的电流补偿效应导致性能最低，然而具有最快的响应速度，这源于MLG/WSe₂和PtTe₂/WSe₂的耗尽区作用，有效促进了光生载流子在全二维结构的分离。

演示了可重构光电逻辑功能。对于电学输入XNOR逻辑门，仅当两输入同时为高(偏压为2 V, 栅压为60 V)或同时为低(偏压为-2 V, 栅压为-60 V)时，输出为高电平(源漏电流大于10-9 A)；对于光/电混合AND逻辑门，仅在光照条件下栅压为60V时，输出为高电平；对于光/电混合OR逻辑门，利用器件在偏压条件下的光电导模式，仅当无光照且栅压为-60 V时，输出为低电平。

科学启迪

本工作通过全二维非对称接触设计，成功实现了栅压对载流子极性及内建电场的动态调控，实现了对光生载流子产生、分离与收集路径的协同调控，为模拟信号处理与可编程光电逻辑提供了新型器件解决方案。展望未来，研究可朝向大面积、均匀化的器件规模化方向推进，重点解决在集成环境下极性可重构特性的稳定性问题，以保障神经形态计算功能的统一性，最终为发展下一代智能传感系统开辟新的技术路径。

该工作发表在Advanced Optical Materials上

文章链接：https://doi.org/10.1002/adom.202502265

Reconfigurable Bidirectional Phototransistors Enabled by Graphene-Integrated Asymmetric PtTe2/WSe2 Van der Waals Heterojunction