石墨烯具有神奇的性能特点，但是零带隙的结构使其在电子工业的应用受到了限制。为了克服石墨烯作为半导体的应用限制，韩国科学家开发了目前世界上最薄的光电探测器，未来在互联网、智能器件、可穿戴电子和光电子器件领域具有极大的应用潜力。
“万能材料”石墨烯真是“神奇的材料”，它不仅具有较高的导电率，而且仅为原子厚度，透明并兼具柔性的特点。但是，石墨烯是零带隙结构，不能直接作为半导体应用于电子工业，因此石墨烯的应用大大受到了限制。
为了扩大石墨烯在电子工业及其他领域的发展，日前，韩国基础科学研究所(Institute for Basic Science，简称IBS)集成纳米结构物理中心的科学家开发出了目前世界上最薄的光电探测器，可以直接将光能转换成电流，其厚度仅为1.3nm，是目前硅晶体二极管厚度的十分之一(图1：硅基体上不同厚度MoS2器件)。未来在互联网、智能器件、可穿戴电子和光电子器件领域具有极大的应用潜力。
图1 硅基体上不同厚度MoS2器件
他们在两层石墨烯片层间插入不同厚度的二硫化钼，然后将其固定在硅基体上。起初，他们认为这种器件太薄是不会产生电流的，但是出乎所有人的意外，该器件居然产生了电流。科学家认为，有别于传统意义上的p-n结，只有一层后的二硫化钼太薄，正极p和n负极电荷分开了，从而产生了内部电流场。在光照下，他们观察到了较高的光电流，非常神奇(图2：光电流产生示意图)!
“我们进一步地研究了不同厚度的二硫化钼的该类器件，测试了其作为光电探测器如何实现光能到电流的转换。我们发现仅为一层厚度的二硫化钼更容易吸收少量的光，表现出较高的光反应活性。通常，光电流是与吸附的光照成正比的，也就是说，如果吸附较多的光，就会产生更多的电流。但是在该器件中，科学家发现即使单层MoS2的器件仅吸收少量的光也能产生七倍于七层二硫化钼的器件的电流。”该论文第一作者YU Woo Jong说道。
他们认为，MoS2层数越薄，对周围环境更为敏感。虽然底部的二氧化硅提高了光电装换能垒，但是上表面的空气层降低了光电转换能垒，因此单层器件中电子更容易从二硫化钼转移到上表面的GrT隧道中。通常，GrT/MoS2异质结能垒比GrB/MoS2低，因此基态电子更容易转移到GrT层，产生电流。而在多层MoS2器件中，GrT/MoS2与GrB/MoS2能垒是均衡的，因此电子具有相同的概率流向任意一边，平均分散的电流就更少了。
图2 光电流产生示意图
这就好比是一群人去爬两座山。如果两座山具有同样的高度，这群人不管付出怎样的努力，最终的结果都是一样的，一半人群爬过了一座山，而另一半人群爬过了另外一座山。这个例子反映的就是七层MoS2厚度器件在光电转换时的状态(图3：光电转换形象示例，左边部分)。但是，如果两座山一个高，一个低，人群首先都会去爬较矮的山。考虑到经典电磁学中的量子物理效应，人群不越过高山是达到不到顶点的，他们还会继续翻越高山并最终到达山体顶点。因此，薄的器件更有利于电子朝一个方向移动，进而产生了更高的电流(图3右边部分)。
图3 光电转换形象示例
研究进一步地发现，薄的器件最大可实现65%光能转化，进而产生较大的电流，而目前世界上最好的同类器件只能转化7%光能。不仅如此，“这个装置是透明的，柔性的，较之目前3D硅半导体只需少量的光能就可以产生加大电流。未来如果研究成功的话，将加速2D光电子器件的发展”，Yu解释道。
论文作者:
Woo Jong Yu, Quoc An Vu, Hyemin Oh, Hong Gi Nam, Hailong Zhou, Soonyoung Cha, Joo-Youn Kim, Alexandra Carvalho, Munseok Jeong, Hyunyong Choi, A. H. Castro Neto, Young Hee Lee & Xiangfeng Duan
原文链接：
http://www.nature.com/articles/ncomms13278
Unusually efficient photocurrent extraction inmonolayer van der Waals heterostructure by tunnelling through discretizedbarriers
Nature Communications , 2016,DOI: 10.1038/ncomms13278
