We demonstrate the detection of cyclotron resonance in graphene by a photo-induced thermionic emission mechanism at the graphene/MoS2 van der Waals (vdW) Schottky junction. At cyclotron resonance in Landau-quantized graphene, the infrared light is absorbed, and an electron–hole pair is generated. When the energy of a photoexcited electron exceeds the band offset energy at the graphene/MoS2 interface, the electron transfer occurs from graphene to the conduction band of MoS2, and the hole remains in graphene. This creates an electron–hole separation at the graphene/MoS2 interface at cyclotron resonance, and a photovoltage is generated. The proposed method is an infrared photodetection technique through out-of-plane transport at the vdW junction, which is distinct from the previously reported methods that use in-plane transport in graphene for electronic detection of the cyclotron resonance. Despite the simple structure of our device with a single-vdW junction, our method exhibits a very high sensitivity of ∼106 V/W, which shows an improvement of three orders of magnitude over the previously reported values. Therefore, the proposed method displays a high potential for cyclotron resonance-based infrared photodetector applications.

1.
A. K.
Geim
and
I. V.
Grigorieva
,
Nature
499
,
419
(
2013
).
2.
Q. H.
Wang
,
K.
Kalantar-Zadeh
,
A.
Kis
,
J. N.
Coleman
, and
M. S.
Strano
,
Nat. Nanotechnol.
7
,
699
(
2012
).
3.
F. H. L.
Koppens
,
T.
Mueller
,
P.
Avouris
,
A. C.
Ferrari
,
M. S.
Vitiello
, and
M.
Polini
,
Nat. Nanotechnol.
9
,
780
(
2014
).
4.
W.
Zhang
,
Q.
Wang
,
Y.
Chen
,
Z.
Wang
, and
A. T. S.
Wee
,
2D Mater.
3
,
022001
(
2016
).
5.
W. J.
Yu
,
Z.
Li
,
H.
Zhou
,
Y.
Chen
,
Y.
Wang
,
Y.
Huang
, and
X.
Duan
,
Nat. Mater.
12
,
246
(
2013
).
6.
T.
Georgiou
,
R.
Jalil
,
B. D.
Belle
,
L.
Britnell
,
R. V.
Gorbachev
,
S. V.
Morozov
,
Y.-J.
Kim
,
A.
Gholinia
,
S. J.
Haigh
,
O.
Makarovsky
,
L.
Eaves
,
L. A.
Ponomarenko
,
A. K.
Geim
,
K. S.
Novoselov
, and
A.
Mishchenko
,
Nat. Nanotechnol.
8
,
100
(
2013
).
7.
L.
Britnell
,
R. M.
Ribeiro
,
A.
Eckmann
,
R.
Jalil
,
B. D.
Belle
,
A.
Mishchenko
,
Y. J.
Kim
,
R. V.
Gorbachev
,
T.
Georgiou
,
S. V.
Morozov
,
A. N.
Grigorenko
,
A. K.
Geim
,
C.
Casiraghi
,
A. H. C.
Neto
, and
K. S.
Novoselov
,
Science
340
,
1311
(
2013
).
8.
W. J.
Yu
,
Y.
Liu
,
H.
Zhou
,
A.
Yin
,
Z.
Li
,
Y.
Huang
, and
X.
Duan
,
Nat. Nanotechnol.
8
,
952
(
2013
).
9.
R.
Moriya
,
T.
Yamaguchi
,
Y.
Inoue
,
S.
Morikawa
,
Y.
Sata
,
S.
Masubuchi
, and
T.
Machida
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
083119
(
2014
).
10.
Y.
Liu
,
N. O.
Weiss
,
X.
Duan
,
H.-C.
Cheng
,
Y.
Huang
, and
X.
Duan
,
Nat. Rev. Mater.
1
,
16042
(
2016
).
11.
Y.
Sata
,
R.
Moriya
,
T.
Yamaguchi
,
Y.
Inoue
,
S.
Morikawa
,
N.
Yabuki
,
S.
Masubuchi
, and
T.
Machida
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
54
,
04DJ04
(
2015
).
12.
Y.
Sata
,
R.
Moriya
,
S.
Morikawa
,
N.
Yabuki
,
S.
Masubuchi
, and
T.
Machida
,
Appl. Phys. Lett.
107
,
023109
(
2015
).
13.
R.
Moriya
,
T.
Yamaguchi
,
Y.
Inoue
,
Y.
Sata
,
S.
Morikawa
,
S.
Masubuchi
, and
T.
Machida
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
223103
(
2015
).
14.
H.
Yang
,
J.
Heo
,
S.
Park
,
H. J.
Song
,
D. H.
Seo
,
K.-E.
Byun
,
P.
Kim
,
I.
Yoo
,
H.-J.
Chung
, and
K.
Kim
,
Science
336
,
1140
(
2012
).
15.
G.
Li
,
A.
Luican
, and
E. Y.
Andrei
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
176804
(
2009
).
16.
D. L.
Miller
,
K. D.
Kubista
,
G. M.
Rutter
,
M.
Ruan
,
W. A.
De Heer
,
P. N.
First
, and
J. A.
Stroscio
,
Science
324
,
924
(
2009
).
17.
R. S.
Deacon
,
K. C.
Chuang
,
R. J.
Nicholas
,
K. S.
Novoselov
, and
A. K.
Geim
,
Phys. Rev. B
76
,
081406
(
2007
).
18.
K.-C.
Chuang
,
R. S.
Deacon
,
R. J.
Nicholas
,
K. S.
Novoselov
, and
A. K.
Geim
,
Philos. Trans. R. Soc. A.
366
,
237
(
2008
).
19.
S.
Masubuchi
,
M.
Onuki
,
M.
Arai
,
T.
Yamaguchi
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
, and
T.
Machida
,
Phys. Rev. B
88
,
121402
(
2013
).
20.
K.
Kinoshita
,
R.
Moriya
,
M.
Arai
,
S.
Masubuchi
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
, and
T.
Machida
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
103102
(
2018
).
21.
K.
Kinoshita
,
R.
Moriya
,
M.
Onodera
,
Y.
Wakafuji
,
S.
Masubuchi
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
, and
T.
Machida
,
npj 2D Mater. Appl.
3
,
22
(
2019
).
22.
A.
Castellanos-Gomez
,
M.
Buscema
,
R.
Molenaar
,
V.
Singh
,
L.
Janssen
,
H. S. J.
Van Der Zant
, and
G. A.
Steele
,
2D Mater.
1
,
011002
(
2014
).
23.
T.
Yamaguchi
,
R.
Moriya
,
Y.
Inoue
,
S.
Morikawa
,
S.
Masubuchi
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
, and
T.
Machida
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
223109
(
2014
).
24.
G.
Li
and
E. Y.
Andrei
,
Nat. Phys.
3
,
623
(
2007
).
25.
C.
Faugeras
,
S.
Berciaud
,
P.
Leszczynski
,
Y.
Henni
,
K.
Nogajewski
,
M.
Orlita
,
T.
Taniguchi
,
K.
Watanabe
,
C.
Forsythe
,
P.
Kim
,
R.
Jalil
,
A. K.
Geim
,
D. M.
Basko
, and
M.
Potemski
,
Phys. Rev. Lett.
114
,
126804
(
2015
).
26.
M.
Massicotte
,
P.
Schmidt
,
F.
Vialla
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
K. J.
Tielrooij
, and
F. H. L.
Koppens
,
Nat. Commun.
7
,
12174
(
2016
).
27.
L.
Yuan
,
T.-F.
Chung
,
A.
Kuc
,
Y.
Wan
,
Y.
Xu
,
Y. P.
Chen
,
T.
Heine
, and
L.
Huang
,
Sci. Adv.
4
,
e1700324
(
2018
).
28.
M.
Mittendorff
,
F.
Wendler
,
E.
Malic
,
A.
Knorr
,
M.
Orlita
,
M.
Potemski
,
C.
Berger
,
W. A.
De Heer
,
H.
Schneider
,
M.
Helm
, and
S.
Winnerl
,
Nat. Phys.
11
,
75
(
2015
).
29.
T.
Kazimierczuk
,
A.
Bogucki
,
T.
Smoleński
,
M.
Goryca
,
C.
Faugeras
,
P.
Machnikowski
,
M.
Potemski
, and
P.
Kossacki
,
Phys. Rev. B
100
,
075401
(
2019
).
30.
C.-C.
Tang
,
K.
Ikushima
,
D. C.
Ling
,
C. C.
Chi
, and
J.-C.
Chen
,
Phys. Rev. Appl.
8
,
064001
(
2017
).
You do not currently have access to this content.