A van der Waals heterojunction photodetector has been constructed by vertically stacking a TaIrTe4 flake, a 2D type-II Weyl semimetal, and a WSe2 flake, a typical isotropic 2D semiconductor. Interestingly, the device exhibits a switchable operating mode depending on the direction of the voltage bias. Specifically, under a source-drain bias of −1 V, the device operates in a photovoltaic mode, featuring rapid response rate. Its response/recovery time is down to 22.5/25.1 ms, which is approximately one order of magnitude shorter than that of a pristine WSe2 photodetector (320/360 ms). In contrast, under a source-drain bias of +1 V, the device operates in a photoconductive mode with high photogain. The optimized responsivity reaches 9.1 A/W, and the corresponding external quantum efficiency and detectivity reach 2776% and 3.09 × 1012 Jones, respectively. Furthermore, the effective wavelength range of the TaIrTe4–WSe2 device has been extended to the long-wavelength region as compared to a WSe2 device. Beyond these, by virtue of the highly anisotropic crystal structure of TaIrTe4, the hybrid device exhibits polarized photosensitivity. Its anisotropy ratio reaches 1.72 (1.75) under a voltage bias of +1 (−1 V). On the whole, this research work provides a paradigm for the design and implementation of 2D materials based multifunctional optoelectronic devices.

1.
K.
Zang
,
D.
Zhang
,
Y.
Huo
,
X.
Chen
,
C.
Lu
,
E. T.
Fei
,
T. I.
Kamins
,
X.
Feng
,
Y.
Huang
, and
J. S.
Harris
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
101111
(
2015
).
2.
Y.
Lee
,
J. Y.
Oh
,
W.
Xu
,
O.
Kim
,
T. R.
Kim
,
J.
Kang
,
Y.
Kim
,
D.
Son
,
J. B. H.
Tok
,
M. J.
Park
,
Z.
Bao
, and
T.
Lee
,
Sci. Adv.
4
,
eaat7387
(
2018
).
3.
W.
Wang
,
K.
Liu
,
J.
Jiang
,
R.
Du
,
L.
Sun
,
W.
Chen
,
J.
Lu
, and
Z.
Ni
,
InfoMat
2
,
761
(
2020
).
4.
C.
Li
,
J.
He
,
Y.
Zhou
,
D.
Qi
,
H.
Jing
,
J.
Su
,
R.
Peng
,
R.
Fan
,
P.
Huo
,
T.
Xu
, and
M.
Wang
,
Appl. Phys. Lett.
119
,
251105
(
2021
).
5.
M.
Shimatani
,
S.
Fukushima
,
S.
Okuda
, and
S.
Ogawa
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
173102
(
2020
).
6.
C.
Qian
,
M.
Wang
,
S.
Lu
, and
H.
Feng
,
Appl. Phys. Lett.
120
,
011901
(
2022
).
7.
W.
Xu
,
S.
Yan
, and
X.
Feng
,
Appl. Phys. Lett.
119
,
262106
(
2021
).
8.
Y.
Park
,
B.
Ryu
,
S. J.
Ki
,
B.
McCracken
,
A.
Pennington
,
K. R.
Ward
,
X.
Liang
, and
K.
Kurabayashi
,
ACS Nano
15
,
7722
(
2021
).
9.
S.
Husain
,
R.
Gupta
,
A.
Kumar
,
P.
Kumar
,
N.
Behera
,
R.
Brucas
,
S.
Chaudhary
, and
P.
Svedlindh
,
Appl. Phys. Rev.
7
,
041312
(
2020
).
10.
J.
Yao
,
Z.
Zheng
, and
G.
Yang
,
Prog. Mater. Sci.
106
,
100573
(
2019
).
11.
Y.
Chen
,
Y.
Wang
,
Z.
Wang
,
Y.
Gu
,
Y.
Ye
,
X.
Chai
,
J.
Ye
,
Y.
Chen
,
R.
Xie
,
Y.
Zhou
,
Z.
Hu
,
Q.
Li
,
L.
Zhang
,
F.
Wang
,
P.
Wang
,
J.
Miao
,
J.
Wang
,
X.
Chen
,
W.
Lu
,
P.
Zhou
, and
W.
Hu
,
Nat. Electron.
4
,
357
(
2021
).
12.
G.
Jin
,
C.
Lee
,
O. F. N.
Okello
,
S.
Lee
,
M. Y.
Park
,
S.
Cha
,
S.
Seo
,
G.
Moon
,
S. Y.
Min
,
D.
Yang
,
C.
Han
,
H.
Ahn
,
J.
Lee
,
H.
Choi
,
J.
Kim
,
S.
Choi
, and
M.
Jo
,
Nat. Nanotechnol.
16
,
1092
(
2021
).
13.
S.
Sinha
,
S.
Kumar
,
S. K.
Arora
,
A.
Sharma
,
M.
Tomar
,
H.
Wu
, and
V.
Gupta
,
J. Appl. Phys.
129
,
155304
(
2021
).
14.
D.
Lee
,
J. J.
Lee
,
Y. S.
Kim
,
Y. H.
Kim
,
J. C.
Kim
,
W.
Huh
,
J.
Lee
,
S.
Park
,
H. Y.
Jeong
,
Y. D.
Kim
, and
C.
Lee
,
Nat. Electron.
4
,
664
(
2021
).
15.
S.
Jeon
,
J.
Jia
,
J. H.
Ju
, and
S.
Lee
, “
Black phosphorus photodetector integrated with Au nanoparticles
,”
Appl. Phys. Rev.
115
,
183102
(
2019
).
16.
J.
Lu
,
Z.
Deng
,
Q.
Ye
,
Z.
Zheng
,
J.
Yao
, and
G.
Yang
,
Small Methods
6
,
2101046
(
2022
).
17.
D. H.
Lee
,
Y.
Sim
,
J.
Wang
, and
S.
Kwon
,
APL Mater.
8
,
030901
(
2020
).
18.
J.
Yao
and
G.
Yang
,
Nanotechnology
32
,
392001
(
2021
).
19.
R.
Ma
,
D.
Xu
,
Z.
Guan
,
X.
Deng
,
F.
Yue
,
R.
Huang
,
Y.
Chen
,
N.
Zhong
,
P.
Xiang
, and
C.
Duan
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
131102
(
2020
).
20.
Q.
Ye
,
J.
Lu
,
Z.
Zheng
,
W.
Huang
,
J.
Yao
, and
G.
Yang
,
Adv. Opt. Mater.
10
,
2102335
(
2022
).
21.
K.
Koepernik
,
D.
Kasinathan
,
D. V.
Efremov
,
S.
Khim
,
S. V.
Borisenko
,
B.
Büchner
, and
J.
van den Brink
,
Phys. Rev. B
93
,
201101
(
2016
).
22.
E.
Haubold
,
K.
Koepernik
,
D.
Efremov
,
S.
Khim
,
A.
Fedorov
,
Y.
Kushnirenko
,
J.
van den Brink
,
S.
Wurmehl
,
B.
Büchner
,
T. K.
Kim
,
M.
Hoesch
,
K.
Sumida
,
K.
Taguchi
,
T.
Yoshikawa
,
A.
Kimura
,
T.
Okuda
, and
S. V.
Borisenko
,
Phys. Rev. B
95
,
241108
(
2017
).
23.
P.
Guo
,
X.
Lu
,
W.
Ji
,
K.
Liu
, and
Z.
Lu
,
Phys. Rev. B
102
,
041109
(
2020
).
24.
D.
Kumar
,
C.
Hsu
,
R.
Sharma
,
T.
Chang
,
P.
Yu
,
J.
Wang
,
G.
Eda
,
G.
Liang
, and
H.
Yang
,
Nat. Nanotechnol.
16
,
421
(
2021
).
25.
Y.
Xing
,
Z.
Shao
,
J.
Ge
,
J.
Luo
,
J.
Wang
,
Z.
Zhu
,
J.
Liu
,
Y.
Wang
,
Z.
Zhao
,
J.
Yan
,
D.
Mandrus
,
B.
Yan
,
X.
Liu
,
M.
Pan
, and
J.
Wang
,
Natl. Sci. Rev.
7
,
579
(
2020
).
26.
J.
Lai
,
Y.
Liu
,
J.
Ma
,
X.
Zhuo
,
P.
Yu
,
W.
Lu
,
Z.
Liu
,
J.
Chen
, and
D.
Sun
,
ACS Nano
12
,
4055
(
2018
).
27.
X.
Wang
,
X.
Chen
,
Y.
Zhou
,
C.
Park
,
C.
An
,
Y.
Zhou
,
R.
Zhang
,
C.
Gu
,
W.
Yang
, and
Z.
Yang
,
Sci. Rep.
7
,
46694
(
2017
).
28.
M. J.
Mleczko
,
R. L.
Xu
,
K.
Okabe
,
H.
Kuo
,
I. R.
Fisher
,
H. S. P.
Wong
,
Y.
Nishi
, and
E.
Pop
,
ACS Nano
10
,
7507
(
2016
).
29.
Y.
Liu
,
Q.
Gu
,
P.
Yu
,
S.
Qi
,
N.
Zhang
,
Y.
Zhang
,
X.
Ma
,
R.
Zhu
,
L.
Tong
,
J.
Feng
,
Z.
Liu
, and
J.
Chen
,
Adv. Mater.
30
,
1706402
(
2018
).
30.
R.
Zhang
,
V.
Koutsos
, and
R.
Cheung
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
042104
(
2016
).
31.
X.
Liu
,
W.
Wang
,
F.
Yang
,
S.
Feng
,
Z.
Hu
,
J.
Lu
, and
Z.
Ni
,
Sci. China Inf. Sci.
64
,
140404
(
2021
).
32.
S.
Shi
,
Y.
Feng
,
B.
Li
,
H.
Zhang
,
Q.
Li
,
Z.
Mo
,
X.
Zhou
,
Z.
Lu
,
W.
Dang
,
X.
Lin
,
L.
Zhang
,
Z.
Zhang
,
W.
Deng
,
J.
Li
,
M.
Zhong
,
B.
Li
, and
X.
Duan
,
Appl. Phys. Lett.
120
,
081101
(
2022
).
33.
S.
Yang
,
P.
Luo
,
F.
Wang
,
T.
Liu
,
Y.
Zhao
,
Y.
Ma
,
H.
Li
, and
T.
Zhai
,
Small
18
,
2105211
(
2022
).
34.
I.
Belopolski
,
P.
Yu
,
D. S.
Sanchez
,
Y.
Ishida
,
T.
Chang
,
S. S.
Zhang
,
S.
Xu
,
H.
Zheng
,
G.
Chang
,
G.
Bian
,
H.
Jeng
,
T.
Kondo
,
H.
Lin
,
Z.
Liu
,
S.
Shin
, and
M. Z.
Hasan
,
Nat. Commun.
8
,
942
(
2017
).
35.
N.
Oliva
,
J.
Backman
,
L.
Capua
,
M.
Cavalieri
,
M.
Luisier
, and
A. M.
Ionescu
,
npj 2D Mater. Appl.
4
,
5
(
2020
).
36.
J.
Ma
,
Q.
Gu
,
Y.
Liu
,
J.
Lai
,
P.
Yu
,
X.
Zhuo
,
Z.
Liu
,
J.
Chen
,
J.
Feng
, and
D.
Sun
,
Nat. Mater.
18
,
476
(
2019
).
37.
X.
Han
,
P.
Wen
,
L.
Zhang
,
W.
Gao
,
H.
Chen
,
F.
Gao
,
S.
Zhang
,
N.
Huo
,
B.
Zou
, and
J.
Li
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
13
,
61544
(
2021
).
38.
X.
Zhuo
,
J.
Lai
,
P.
Yu
,
Z.
Yu
,
J.
Ma
,
W.
Lu
,
M.
Liu
,
Z.
Liu
, and
D.
Sun
,
Light. Sci. Appl.
10
,
101
(
2021
).
39.
N.
Kumar
,
Y.
Sun
,
N.
Xu
,
K.
Manna
,
M.
Yao
,
V.
Süss
,
I.
Leermakers
,
O.
Young
,
T.
Förster
,
M.
Schmidt
,
H.
Borrmann
,
B.
Yan
,
U.
Zeitler
,
M.
Shi
,
C.
Felser
, and
C.
Shekhar
,
Nat. Commun.
8
,
1642
(
2017
).
40.
A. J.
Frenzel
,
C. C.
Homes
,
Q. D.
Gibson
,
Y. M.
Shao
,
K. W.
Post
,
A.
Charnukha
,
R. J.
Cava
, and
D. N.
Basov
,
Phys. Rev. B
95
,
245140
(
2017
).
41.
D.
Chen
,
L.
Zhao
,
J. B.
He
,
H.
Liang
,
S.
Zhang
,
C.
Li
,
L.
Shan
,
S.
Wang
,
Z.
Ren
,
C.
Ren
, and
G.
Chen
,
Phys. Rev. B
94
,
174411
(
2016
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.