van der Waals (vdW) heterojunctions formed by two-dimensional (2D) materials have attracted tremendous attention due to their excellent electrical/optical properties and device applications. However, current 2D heterojunctions are largely limited to atomic crystals, and hybrid organic/inorganic structures are rarely explored. Here, we fabricate the hybrid 2D heterostructures with p-type dioctylbenzothienobenzothiophene (C8-BTBT) and n-type MoS2. We find that few-layer C8-BTBT molecular crystals can be grown on monolayer MoS2 by vdW epitaxy, with pristine interface and controllable thickness down to monolayer. The operation of the C8-BTBT/MoS2 vertical heterojunction devices is highly tunable by bias and gate voltages between three different regimes: interfacial recombination, tunneling, and blocking. The pn junction shows diode-like behavior with rectifying ratio up to 105 at the room temperature. Our devices also exhibit photovoltaic responses with a power conversion efficiency of 0.31% and a photoresponsivity of 22 mA/W. With wide material combinations, such hybrid 2D structures will offer possibilities for opto-electronic devices that are not possible from individual constituents.

2.
S. M.
Sze
and
K. K.
Ng
,
Physics of Semiconductor Devices
(
Wiley
,
Hoboken, NJ, USA
,
2006
).
3.
K. S.
Novoselov
and
A. K.
Geim
,
Nat. Mater.
6
,
183
(
2007
).
4.
Q.
Wang
,
K.
Kalantar-Zadeh
,
A.
Kis
,
J. N.
Coleman
, and
M. S.
Strano
,
Nat. Nanotechnol.
7
,
699
(
2012
).
5.
A. K.
Geim
and
I. V.
Grigorieva
,
Nature
499
,
419
(
2013
).
6.
L.
Britnell
,
R. V.
Gorbachev
,
R.
Jalil
,
B. D.
Belle
,
F.
Schedin
,
A.
Mishchenko
,
T.
Georgiou
,
M. I.
Katsnelson
,
L.
Eaves
,
S. V.
Morozov
,
N. M. R.
Peres
,
J.
Leist
,
A. K.
Geim
,
K. S.
Novoselov
, and
L. A.
Ponomarenko
,
Science
335
,
947
(
2012
).
7.
W. J.
Yu
,
Y.
Liu
,
H.
Zhou
,
A.
Yin
,
Z.
Li
,
Y.
Huang
, and
X.
Duan
,
Nat. Nanotechnol.
8
,
952
(
2013
).
8.
J. S.
Ross
,
P.
Klement
,
A. M.
Jones
,
N. J.
Ghimire
,
J.
Yan
,
D. G.
Mandrus
,
T.
Taniguchi
,
K.
Watanabe
,
K.
Kitamura
,
W.
Yao
,
D. H.
Cobden
, and
X.
Xu
,
Nat. Nanotechnol.
9
,
268
(
2014
).
9.
F.
Withers
,
O.
Del Pozo-Zamudio
,
A.
Mishchenko
,
A. P.
Rooney
,
A.
Gholinia
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
S. J.
Haigh
,
A. K.
Geim
,
A. I.
Tartakovskii
, and
K. S.
Novoselov
,
Nat. Mater.
14
,
301
(
2015
).
10.
M. M.
Furchi
,
A.
Pospischil
,
F.
Libisch
,
J.
Burgdoürfer
, and
T.
Mueller
,
Nano Lett.
14
(
8
),
4785
(
2014
).
11.
W.
Yang
,
G.
Chen
,
Z.
Shi
,
C.
Liu
,
L.
Zhang
,
G.
Xie
,
M.
Cheng
,
D.
Wang
,
R.
Yang.
,
D.
Shi
,
K.
,
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
Y.
Yao
,
Y.
Zhang
, and
G.
Zhang
,
Nat. Mater.
12
,
792
(
2013
).
12.
B.
Fallahazad
,
K.
Lee
,
S.
Kang
,
J.
Xue
,
S.
Larentis
,
C.
Corbet
,
K.
Kim
,
H. C. P.
Movva
,
T.
Taniguchi
,
K.
Watanabe
,
L. F.
Register
,
S. K.
Banerjee
, and
E.
Tutuc
,
Nano Lett.
15
(
1
),
428
(
2015
).
13.
D.
He
,
Y.
Zhang
,
Q.
Wu
,
R.
Xu
,
H.
Nan
,
J.
Liu
,
J.
Yao
,
Y.
Li
,
Y.
Shi
,
J.
Wang
,
L.
He
,
Z.
Ni
,
F.
Miao
,
F.
Song
,
H.
Xu
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
J.
Xu
, and
X.
Wang
,
Nat. Commun.
5
,
5162
(
2014
).
14.
M. J.
Kory
,
M.
Wörle
,
T.
Weber
,
P.
Payamyar
,
S. W.
van de Poll
,
J.
Dshemuchadse
,
N.
Trapp
, and
A. D.
Schlüter
,
Nat. Chem.
6
,
779
(
2014
).
15.
P.
Kissel
,
D. J.
Murray
,
W. J.
Wulftange
,
V. J.
Catalano
, and
B. T.
King
,
Nat. Chem.
6
,
774
(
2014
).
16.
K.
Kim
,
T. H.
Lee
,
E. J. G.
Santos
,
P. S.
Jo
,
A.
Salleo
,
Y.
Nishi
, and
Z.
Bao
,
ACS Nano
9
,
5922
(
2015
).
17.
K.
Kim
,
E. J. G.
Santos
,
T. H.
Lee
,
Y.
Nishi
, and
Z.
Bao
,
Small
11
(
17
),
2037
(
2015
).
18.
C. R.
Dean
,
A. F.
Young
,
I.
Meric
,
C.
Lee
,
L.
Wang
,
S.
Sorgenfrei
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
P.
Kim
,
K. L.
Shepard
, and
J.
Hone
,
Nat. Nanotechnol.
5
,
722
(
2010
).
19.
C.
Lee
,
T.
Schiros
,
E. J. G.
Santos
,
B.
Kim
,
K. G.
Yager
,
S. J.
Kang
,
S.
Lee
,
J.
Yu
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
J.
Hone
,
E.
Kaxiras
,
C.
Nuckolls
, and
P.
Kim
,
Adv. Mater.
26
,
2812
(
2014
).
20.
H.
Hlaing
,
C.
Kim
,
F.
Carta
,
C.
Nam
,
R. A.
Barton
,
N.
Petrone
,
J.
Hone
, and
I.
Kymissis
,
Nano Lett.
15
,
69
(
2015
).
21.
S.
Parui
,
L.
Pietrobon
,
D.
Ciudad
,
S.
Vélez
,
X.
Sun
,
F.
Casanova
,
P.
Stoliar
, and
L. E.
Hueso
,
Adv. Funct. Mater.
25
,
2972
(
2015
).
22.
C.
Wang
,
H.
Dong
,
W.
Hu
,
Y.
Liu
, and
D.
Zhu
,
Chem. Rev.
112
,
2208
(
2012
).
23.
F.
Liu
,
W. L.
Chow
,
X.
He
,
P.
Hu
,
S.
Zheng
,
X.
Wang
,
J.
Zhou
,
Q.
Fu
,
W.
Fu
,
P.
Yu
,
Q.
Zeng
,
H.
Fan
,
B. K.
Tay
,
C.
Kloc
, and
Z.
Liu
,
Adv. Funct. Mater.
25
(
36
),
5865
5871
(
2015
).
24.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4935028 for experimental methods and additional device data.
25.
H.
Minemawari
,
T.
Yamada
,
H.
Matsui
,
J.
Tsutsumi
,
S.
Haas
,
R.
Chiba
,
R.
Kumai
, and
T.
Hasegawa
,
Nature
475
(
21
),
364
(
2011
).
26.
J.
Hong
,
Z.
Hu
,
M.
Probert
,
K.
Li
,
D.
Lv
,
X.
Yang
,
L.
Gu
,
N.
Mao
,
Q.
Feng
,
L.
Xie
,
J.
Zhang
,
D.
Wu
,
Z.
Zhang
,
C.
Jin
,
W.
Ji
,
X.
Zhang
,
J.
Yuan
, and
Z.
Zhang
,
Nat. Commun.
6
,
6293
(
2015
).
27.
Z.
Yu
,
Y.
Pan
,
Y.
Shen
,
Z.
Wang
,
Z.-Y.
Ong
,
T.
Xu
,
R.
Xin
,
L.
Pan
,
B.
Wang
,
L.
Sun
,
J.
Wang
,
G.
Zhang
,
Y. W.
Zhang
,
Y.
Shi
, and
X.
Wang
,
Nat. Commun.
5
,
5290
(
2014
).
28.
H.
Kobayashi
,
N.
Kobayashi
,
S.
Hosoi
,
N.
Koshitani
,
D.
Murakami
,
R.
Shirasawa
,
Y.
Kudo
,
D.
Hobara
,
Y.
Tokita
, and
M.
Itabashi
,
J. Chem. Phys.
139
,
014707
(
2013
).
29.
J.
Kang
,
S.
Tongay
,
J.
Zhou
,
J.
Li
, and
J.
Wu
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
012111
(
2013
).
30.
B.
Radisavljevic
,
A.
Radenovic
,
J.
Brivio
,
V.
Giacometti
, and
A.
Kis
,
Nat. Nanotechnol.
6
,
147
(
2011
).
31.
C.
Gong
,
L.
Colombo
,
R. M.
Wallace
, and
K.
Cho
,
Nano. Lett.
14
,
1714
(
2014
).
32.
W.
Chen
,
E. J. G.
Santos
,
W.
Zhu
,
E.
Kaxiras
, and
Z.
Zhang
,
Nano Lett.
13
,
509
(
2013
).
33.
A.
Pospischil
,
M. M.
Furchi
, and
T.
Mueller
,
Nat. Nanotechnol.
9
,
257
(
2014
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.