Transition metal dichalcogenide monolayers have attracted much attention due to their strong light absorption and excellent electronic properties. These advantages make this type of two-dimensional crystal a promising one for optoelectronic device applications. In the case of photoelectric conversion devices such as photodetectors and photovoltaic cells, p–n junctions are one of the most important devices. Here, we demonstrate photodetection with WSe2 monolayer films. We prepare the electrolyte-gated ambipolar transistors and electrostatic p–n junctions are formed by the electrolyte-gating technique at 270 K. These p-n junctions are cooled down to fix the ion motion (and p-n junctions) and we observed the reasonable photocurrent spectra without the external bias, indicating the formation of p-n junctions. Very interestingly, two-terminal devices exhibit higher photoresponsivity than that of three-terminal ones, suggesting the formation of highly balanced anion and cation layers. The maximum photoresponsivity reaches 5 mA/W in resonance with the first excitonic peak. Our technique provides important evidence for optoelectronics in atomically thin crystals.

1.
M.-Y.
Li
,
Y.
Shi
,
C.-C.
Cheng
,
L.-S.
Lu
,
Y.-C.
Lin
,
H.-L.
Tang
,
M.-L.
Tsai
,
C.-W.
Chu
,
K.-H.
Wei
,
J.-H.
He
,
W.-H.
Chang
,
K.
Suenaga
, and
L.-J.
Li
,
Science
349
,
524
(
2015
).
2.
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
).
3.
R.
Cheng
,
D.
Li
,
H.
Zhou
,
C.
Wang
,
A.
Yin
,
S.
Jiang
,
Y.
Liu
,
Y.
Chen
,
Y.
Huang
, and
X.
Duan
,
Nano Lett.
14
,
5590
(
2014
).
4.
B. W.
Baugher
,
H. O.
Churchill
,
Y.
Yang
, and
P.
Jarillo-Herrero
,
Nat. Nanotechnol.
9
,
262
(
2014
).
5.
H.
Yuan
,
X.
Liu
,
F.
Afshinmanesh
,
W.
Li
,
G.
Xu
,
J.
Sun
,
B.
Lian
,
A. G.
Curto
,
G.
Ye
,
Y.
Hikita
,
Z.
Shen
,
S. C.
Zhang
,
X.
Chen
,
M.
Brongersma
,
H. Y.
Hwang
, and
Y.
Cui
,
Nat. Nanotechnol.
10
,
707
(
2015
);
[PubMed]
J.
Meng
,
H.-D.
Song
,
C.-Z.
Li
,
Y.
Jin
,
L.
Tang
,
D.
Liu
,
Z.-M.
Liao
,
F.
Xiu
, and
D.
Yu
,
Nanoscale
7
,
11611
(
2015
);
[PubMed]
D.
Jariwala
,
V. K.
Sangwan
,
C. C.
Wu
,
P. L.
Prabhumirashi
,
M. L.
Geier
,
T. J.
Marks
,
L. J.
Lauhon
, and
M. C.
Hersam
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
110
,
18076
(
2013
).
[PubMed]
6.
A.
Pospischil
,
M. M.
Furchi
, and
T.
Mueller
,
Nat. Nanotechnol.
9
,
257
(
2014
).
7.
V.
Podzorov
,
M. E.
Gershenson
,
Ch.
Kloc
,
R.
Zeis
, and
E.
Bucher
,
Appl. Phys. Lett.
84
,
3301
(
2004
);
M. S.
Kang
and
C. D.
Frisbie
,
Chem. Phys. Chem.
14
,
1547
(
2013
).
8.
M. S.
Choi
,
D.
Qu
,
D.
Lee
,
X.
Liu
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
, and
W. J.
Yoo
,
ACS Nano
8
,
9332
(
2014
).
9.
Y.
Ye
,
Z.
Ye
,
M.
Gharghi
,
H.
Zhu
,
M.
Zhao
,
Y.
Wang
,
X.
Yin
, and
X.
Zhang
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
193508
(
2014
);
R. S.
Sundaram
,
M.
Engel
,
A.
Lombardo
,
R.
Krupke
,
A. C.
Ferrari
,
P.
Avouris
, and
M.
Steiner
,
Nano Lett.
13
,
1416
(
2013
).
[PubMed]
10.
K. F.
Mak
,
K.
He
,
C.
Lee
,
G. H.
Lee
,
J.
Hone
,
T. F.
Heinz
, and
J.
Shan
,
Nat. Mater.
12
,
207
(
2013
).
11.
Y.
Yamada
,
K.
Ueno
,
T.
Fukumura
,
H. T.
Yuan
,
H.
Shimotani
,
Y.
Iwasa
,
L.
Gu
,
S.
Tsukimoto
,
Y.
Ikuhara
, and
M.
Kawasaki
,
Science
332
,
1065
(
2011
);
[PubMed]
J.
Pu
,
Y.
Yomogida
,
K.-K.
Liu
,
L.-J.
Li
,
Y.
Iwasa
, and
T.
Takenobu
,
Nano Lett.
12
,
4013
(
2012
);
[PubMed]
L.
Chu
,
H.
Schmidt
,
J.
Pu
,
S.
Wang
,
B.
Ozyilmaz
,
T.
Takenobu
, and
G.
Eda
,
Sci. Rep.
4
,
7293
(
2014
);
[PubMed]
W.
Xie
and
C. D.
Frisbie
,
J. Phys. Chem. C
115
,
14360
(
2011
);
Y.
Lee
,
C.
Clement
,
J.
Hellerstedt
,
J.
Kinney
,
L.
Kinnischtzke
,
X.
Leng
,
S. D.
Snyder
, and
A. M.
Goldman
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
136809
(
2011
).
[PubMed]
12.
Y.
Zhang
,
J.
Ye
,
Y.
Matsuhashi
, and
Y.
Iwasa
,
Nano Lett.
12
,
1136
(
2012
).
13.
Y. J.
Zhang
,
T.
Oka
,
R.
Suzuki
,
J. T.
Ye
, and
Y.
Iwasa
,
Science
344
,
725
(
2014
).
14.
Y. J.
Zhang
,
J. T.
Ye
,
Y.
Yomogida
,
T.
Takenobu
, and
Y.
Iwasa
,
Nano Lett.
13
,
3023
(
2013
).
15.
D.
Braga
,
I. G.
Lezama
,
H.
Berger
, and
A. F.
Morpurgo
,
Nano Lett.
12
,
5218
(
2012
);
[PubMed]
I.
Díez-Pérez
,
Z.
Li
,
S.
Guo
,
C.
Madden
,
H.
Huang
,
Y.
Che
,
X.
Yang
,
L.
Zang
, and
N.
Tao
,
ACS Nano
6
,
7044
(
2012
);
[PubMed]
E.
Ponomarev
,
I.
Gutiérrez-Lezama
,
N.
Ubrig
, and
A. F.
Morpurgo
,
Nano Lett.
15
,
8289
(
2015
).
[PubMed]
16.
J. T.
Ye
,
Y. J.
Zhang
,
R.
Akashi
,
M. S.
Bahramy
,
R.
Arita
, and
Y.
Iwasa
,
Science
338
,
1193
(
2012
).
17.
W.
Bao
,
X.
Cai
,
D.
Kim
,
K.
Sridhara
, and
M. S.
Fuhrer
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
042104
(
2013
).
18.
T. J.
Octon
,
V. K.
Nagareddy
,
S.
Russo
,
M. F.
Craciun
, and
C. D.
Wright
, “
Fast-High-Responsivity Few-Layer MoTe2 Photodetectors
,”
Adv. Opt. Mater.
(published online,
2016
).
19.
A.
Abderrahmane
,
P. J.
Ko
,
T. V.
Thu
,
S.
Ishizawa
,
T.
Takamura
, and
A.
Sandhu
,
Nanotechnology
25
,
365202
(
2014
);
[PubMed]
W.
Zhang
,
J.-K.
Huang
,
C.-H.
Chen
,
Y.-H.
Chang
,
Y.-J.
Cheng
, and
L.-J.
Li
,
Adv. Mater.
25
,
3456
(
2013
);
[PubMed]
Z.
Yin
,
H.
Li
,
H.
Li
,
L.
Jiang
,
Y.
Shi
,
Y.
Sun
,
G.
Lu
,
Q.
Zhang
,
X.
Chen
, and
H.
Zhang
,
ACS Nano
6
,
74
(
2012
);
[PubMed]
W.
Zhang
,
M.-H.
Chiu
,
C.-H.
Chen
,
W.
Chen
,
L.-J.
Li
, and
A. T. S.
Wee
,
ACS Nano
8
,
8653
(
2014
);
[PubMed]
H. S.
Lee
,
S. W.
Min
,
Y. G.
Chang
,
M. K.
Park
,
T.
Nam
,
H.
Kim
,
J. H.
Kim
,
S.
Ryu
, and
S.
Im
,
Nano Lett.
12
,
3695
(
2012
).
[PubMed]
20.
T.
Low
,
M.
Engel
,
M.
Steiner
, and
P.
Avouris
,
Phys. Rev. B
90
,
081408(R)
(
2014
).
21.
J.-K.
Huang
,
J.
Pu
,
C.-L.
Hsu
,
M.-H.
Chiu
,
Z.-Y.
Juang
,
Y.-H.
Chang
,
W.-H.
Chang
,
Y.
Iwasa
,
T.
Takenobu
, and
L.-J.
Li
,
ACS Nano
8
,
923
(
2014
).
22.
H. J.
Chuang
,
X.
Tan
,
N. J.
Ghimire
,
M. M.
Perera
,
B.
Chamlagain
,
M. M.
Cheng
,
J.
Yan
,
D.
Mandrus
,
D.
Tomanek
, and
Z.
Zhou
,
Nano Lett.
14
,
3594
(
2014
);
[PubMed]
H.
Yuan
,
X.
Wang
,
B.
Lian
,
H.
Zhang
,
X.
Fang
,
B.
Shen
,
G.
Xu
,
Y.
Xu
,
S.-C.
Zhang
, and
H. Y.
Hwang
,
Nat. Nanotechnol.
9
,
851
(
2014
).
[PubMed]
23.
K.-S.
Shin
,
H.
Jo
,
H.-J.
Shin
,
W. M.
Choi
,
J.-Y.
Choi
, and
S.-W.
Kim
,
J. Mater. Chem.
22
,
13032
(
2012
);
T. G.
Ruskell
,
R. K.
Workman
,
D.
Chen
,
D.
Sarid
,
S.
Dahl
, and
S.
Gilbert
,
Appl. Phys. Lett.
68
,
93
(
1996
).
24.
D.-S.
Tsai
,
K.-K.
Liu
,
D.-H.
Lien
,
M.-L.
Tsai
,
C.-F.
Kang
,
C.-A.
Lin
,
L.-J.
Li
, and
J.-H.
He
,
ACS Nano
7
,
3905
(
2013
).
[PubMed]
25.
D.
Kozawa
,
R.
Kumar
,
A.
Carvalho
,
K. K.
Amara
,
W.
Zhao
,
S.
Wang
,
M.
Toh
,
R. M.
Ribeiro
,
A. H. C.
Neto
,
K.
Matsuda
, and
G.
Eda
,
Nat. Commun.
5
,
4543
(
2014
).
[PubMed]
26.
A. R.
Klots
,
A. K.
Newaz
,
B.
Wang
,
D.
Prasai
,
H.
Krzyzanowska
,
J.
Lin
,
D.
Caudel
,
N. J.
Ghimire
,
J.
Yan
,
B. L.
Ivanov
,
K. A.
Velizhanin
,
A.
Burger
,
D. G.
Mandrus
,
N. H.
Tolk
,
S. T.
Pantelides
, and
K. I.
Bolotin
,
Sci. Rep.
4
,
6608
(
2014
).
27.
B.
Li
,
G.
Shi
,
S.
Lei
,
Y.
He
,
W.
Gao
,
Y.
Gong
,
G.
Ye
,
W.
Zhou
,
K.
Keyshar
,
J.
Hao
,
P.
Dong
,
L.
Ge
,
J.
Lou
,
J.
Kono
,
R.
Vajtai
, and
P. M.
Ajayan
,
Nano Lett.
15
,
5919
(
2015
).
28.
O.
Lopez-Sanchez
,
D.
Lembke
,
M.
Kayci
,
A.
Radenovic
, and
A.
Kis
,
Nat. Nanotechnol.
8
,
497
(
2013
).
29.
M.
Nonnenmacher
,
M. P.
O'Boyle
, and
H. K.
Wickramasinghe
,
Appl. Phys. Lett.
58
,
2921
(
1991
);
Y.
Li
,
C.-Y.
Xu
, and
L.
Zhen
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
143110
(
2013
).
30.
M. M.
Ugeda
,
A. J.
Bradley
,
S. F.
Shi
,
F. H.
da Jornada
,
Y.
Zhang
,
D. Y.
Qiu
,
W.
Ruan
,
S. K.
Mo
,
Z.
Hussain
,
Z. X.
Shen
,
F.
Wang
,
S. G.
Louie
, and
M. F.
Crommie
,
Nat. Mater.
13
,
1091
(
2014
);
[PubMed]
D. Y.
Qiu
,
F. H.
da Jornada
, and
S. G.
Louie
,
Phys. Rev. Lett.
111
,
216805
(
2013
).
[PubMed]
31.
A. R.
Beal
,
J. C.
Knights
, and
W. Y.
Liang
,
J. Phys. C: Solid State Phys.
5
,
3540
(
1972
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.