Photodetectors based on two-dimensional (2D) transition metal dichalcogenides (TMDs) can only be operated in a single photovoltaic or photoconductive mode, showing either high detectivity or high responsivity, but not both. An effort to develop a photodetector that can dynamically switch its working mode is indispensable for practical applications. In this article, we demonstrate a high performance, phase-transition modulated, dual-mode photodetector based on WSe2/VO2 heterojunction. Enabled by the insulator-to-metal transition of VO2, the WSe2/VO2 heterojunction can be regulated from a type-II heterojunction to a Schottky junction, showing a tunable built-in electric field at the heterojunction interface. This resulted in the dynamic switch of carrier transport and photoresponse in the heterojunction. With this dual-mode function, the new photodetector can have both a high detectivity and a large responsivity, surpassing the current performance of single mode 2D TMDs photodetectors. With a direct laser writing and erasing technique, the photoresponse of a WSe2/VO2 device can be locally modulated as desired. This dual mode detection of the WSe2/VO2 photodetector deepens the fundamental understanding of charge transfer in heterojunctions and favors versatile applications in photodetection.

1.
J. N.
Coleman
,
M.
Lotya
,
A.
O'Neill
,
S. D.
Bergin
,
P. J.
King
,
U.
Khan
,
K.
Young
,
A.
Gaucher
,
S.
De
,
R. J.
Smith
,
I. V.
Shvets
,
S. K.
Arora
,
G.
Stanton
,
H. Y.
Kim
,
K.
Lee
,
G. T.
Kim
,
G. S.
Duesberg
,
T.
Hallam
,
J. J.
Boland
,
J. J.
Wang
,
J. F.
Donegan
,
J. C.
Grunlan
,
G.
Moriarty
,
A.
Shmeliov
,
R. J.
Nicholls
,
J. M.
Perkins
,
E. M.
Grieveson
,
K.
Theuwissen
,
D. W.
McComb
,
P. D.
Nellist
, and
V.
Nicolosi
,
Science
331
(
6017
),
568
(
2011
).
2.
D.
Jariwala
,
V. K.
Sangwan
,
L. J.
Lauhon
,
T. J.
Marks
, and
M. C.
Hersam
,
ACS Nano
8
(
2
),
1102
(
2014
).
3.
K. S.
Novoselov
,
D.
Jiang
,
F.
Schedin
,
T. J.
Booth
,
V. V.
Khotkevich
,
S. V.
Morozov
, and
A. K.
Geim
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
102
(
30
),
10451
(
2005
).
4.
N. J.
Huo
,
J. H.
Yang
,
L.
Huang
,
Z. M.
Wei
,
S. S.
Li
,
S. H.
Wei
, and
J. B.
Li
,
Small
11
(
40
),
5430
(
2015
).
5.
O.
Lopez-Sanchez
,
D.
Lembke
,
M.
Kayci
,
A.
Radenovic
, and
A.
Kis
,
Nat. Nanotechnol.
8
,
497
(
2013
).
6.
W. J.
Zhang
,
C. P.
Chuu
,
J. K.
Huang
,
C. H.
Chen
,
M. L.
Tsai
,
Y. H.
Chang
,
C. T.
Liang
,
Y. Z.
Chen
,
Y. L.
Chueh
,
J. H.
He
,
M. Y.
Chou
, and
L. J.
Li
,
Sci. Rep.
4
,
3826
(
2015
).
7.
Y.
Wang
,
W. X.
Zhou
,
L.
Huang
,
C. X.
Xia
,
L. M.
Tang
,
H. X.
Deng
,
Y. T.
Li
,
K. Q.
Chen
,
J. B.
Li
, and
Z. M.
Wei
,
2D Mater.
4
(
2
),
025097
(
2017
).
8.
T. F.
Yang
,
B. Y.
Zheng
,
Z.
Wang
,
T.
Xu
,
C.
Pan
,
J.
Zou
,
X. H.
Zhang
,
Z. Y.
Qi
,
H. J.
Liu
,
Y. X.
Feng
,
W. D.
Hu
,
F.
Miao
,
L. T.
Sun
,
X. F.
Duan
, and
A. L.
Pan
,
Nat. Commun.
8
,
1906
(
2017
).
9.
J. S.
Miao
,
W. D.
Hu
,
Y. L.
Jing
,
W. J.
Luo
,
L.
Liao
,
A. L.
Pan
,
S. W.
Wu
,
J. X.
Cheng
,
X. S.
Chen
, and
W.
Lu
,
Small
11
(
20
),
2392
(
2015
).
10.
X. M.
Zhang
,
H. Y.
Nan
,
S. Q.
Xiao
,
X.
Wan
,
Z. H.
Ni
,
X. F.
Gu
, and
K.
Ostrikov
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
9
(
48
),
42121
(
2017
).
11.
S. X.
Yang
,
C.
Wang
,
C.
Ataca
,
Y.
Li
,
H.
Chen
,
H.
Cai
,
A.
Suslu
,
J. C.
Grossman
,
C. B.
Jiang
,
Q.
Liu
, and
S.
Tongay
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
8
(
4
),
2533
(
2016
).
12.
J. X.
Liu
,
M. Q.
Zeng
,
L. X.
Wang
,
Y. T.
Chen
,
Z.
Xing
,
T.
Zhang
,
Z.
Liu
,
J. L.
Zuo
,
F.
Nan
,
R. G.
Mendes
,
S. L.
Chen
,
F.
Ren
,
Q. Q.
Wang
,
M. H.
Rümmeli
, and
L.
Fu
,
Small
12
(
41
),
5741
(
2016
).
13.
F.
Ceballos
,
M. Z.
Bellus
,
H. Y.
Chiu
, and
H.
Zhao
,
ACS Nano
8
(
12
),
12717
(
2014
).
14.
W.
Choi
,
M. Y.
Cho
,
A.
Konar
,
J. H.
Lee
,
G. B.
Cha
,
S. C.
Hong
,
S.
Kim
,
J.
Kim
,
D.
Jena
,
J.
Joo
, and
S.
Kim
,
Adv. Mater.
24
(
43
),
5832
(
2012
).
15.
K.
Roy
,
M.
Padmanabhan
,
S.
Goswami
,
T. P.
Sai
,
G.
Ramalingam
,
S.
Raghavan
, and
A.
Ghosh
,
Nat. Nanotechnol.
8
(
11
),
826
(
2013
).
16.
D.
De Fazio
,
I.
Goykhman
,
D.
Yoon
,
M.
Bruna
,
A.
Eiden
,
S.
Milana
,
U.
Sassi
,
M.
Barbone
,
D.
Dumcenco
,
K.
Marinov
,
A.
Kis
, and
A. C.
Ferrari
,
ACS Nano
10
(
9
),
8252
(
2016
).
17.
P.
Wang
,
S. S.
Liu
,
W. J.
Luo
,
H. H.
Fang
,
F.
Gong
,
N.
Guo
,
Z. G.
Chen
,
J.
Zou
,
Y.
Huang
,
X. H.
Zhou
,
J. L.
Wang
,
X. S.
Chen
,
W.
Lu
,
F. X.
Xiu
, and
W. D.
Hu
,
Adv. Mater.
29
(
16
),
1604439
(
2017
).
18.
Z. J.
Xu
,
S. S.
Lin
,
X. Q.
Li
,
S. J.
Zhang
,
Z. Q.
Wu
,
W. L.
Xu
,
Y. H.
Lu
, and
S.
Xu
,
Nano Energy
23
,
89
(
2016
).
19.
L.
Wang
,
J. S.
Jie
,
Z. B.
Shao
,
Q.
Zhang
,
X. H.
Zhang
,
Y. M.
Wang
,
Z.
Sun
, and
S. T.
Lee
,
Adv. Funct. Mater.
25
(
19
),
2910
(
2015
).
20.
D.
Lee
,
B.
Chung
,
Y.
Shi
,
G. Y.
Kim
,
N.
Campbell
,
F.
Xue
,
K.
Song
,
S. Y.
Choi
,
J. P.
Podkaminer
,
T. H.
Kim
,
P. J.
Ryan
,
J. W.
Kim
,
T. R.
Paudel
,
J. H.
Kang
,
J. W.
Spinuzzi
,
D. A.
Tenne
,
E. Y.
Tsymbal
,
M. S.
Rzchowski
,
L. Q.
Chen
,
J.
Lee
, and
C. B.
Eom
,
Science
362
(
6418
),
1037
(
2018
).
21.
M.
Yamamoto
,
R.
Nouchi
,
T.
Kanki
,
A. N.
Hattori
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
K.
Ueno
, and
H.
Tanaka
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
11
(
3
),
3224
(
2019
).
22.
Y.
Zhou
and
S.
Ramanathan
,
J. Appl. Phys.
113
(
21
),
213703
(
2013
).
23.
Y.
Zhou
,
J.
Park
,
J.
Shi
,
M.
Chhowalla
,
H.
Park
,
D. A.
Weitz
, and
S.
Ramanathan
,
Nano Lett.
15
(
3
),
1627
(
2015
).
24.
M.
Yamamoto
,
R.
Nouchi
,
T.
Kanki
,
S.
Nakaharai
,
A. N.
Hattori
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
Y.
Wakayama
,
K.
Ueno
, and
H.
Tanaka
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
11
(
40
),
36871
(
2019
).
25.
J. W.
Hou
,
X.
Wang
,
D. Y.
Fu
,
C.
Ko
,
Y. B.
Chen
,
Y. F.
Sun
,
S.
Lee
,
K. X.
Wang
,
K. C.
Dong
,
Y. H.
Sun
,
S.
Tongay
,
L. Y.
Jiao
,
J.
Yao
,
K.
Liu
, and
J. Q.
Wu
,
Small
12
(
29
),
3976
(
2016
).
26.
Y. C.
Lin
,
K.
DeLello
,
H. T.
Zhang
,
K. H.
Zhang
,
Z.
Lin
,
M.
Terrones
,
R.
Engel-Herbert
, and
J. A.
Robinson
,
J. Phys.-Condens. Matter
28
(
50
),
504001
(
2016
).
27.
P.
Kumar
,
D.
Singh
, and
V.
Balakrishnan
,
Appl. Surf. Sci.
480
,
680
(
2019
).
28.
N.
Oliva
,
E. A.
Casu
,
C.
Yan
,
A.
Krammer
,
A.
Magrez
,
A.
Schueler
,
O. J. F.
Martin
, and
A. M.
Ionescu
in
2017 IEEE International Electron Devices Meeting
(
IEEE
, New York,
2017
).
29.
N.
Oliva
,
E. A.
Casu
,
C.
Yan
,
A.
Krammer
,
T.
Rosca
,
A.
Magrez
,
I.
Stolichnov
,
A.
Schueler
,
O. J. F.
Martin
, and
A. M.
Ionescu
,
Sci. Rep.
7
,
14250
(
2017
).
30.
A.
Patel
,
P.
Pataniya
,
G. K.
Solanki
,
C. K.
Sumesh
,
K. D.
Patel
, and
V. M.
Pathak
,
Superlattices Microstruct.
130
,
160
(
2019
).
31.
R.
Schlaf
,
O.
Lang
,
C.
Pettenkofer
, and
W.
Jaegermann
,
J. Appl. Phys.
85
(
5
),
2732
(
1999
).
32.
C.
Ko
,
Z.
Yang
, and
S.
Ramanathan
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
3
(
9
),
3396
(
2011
).
33.
J.
Kang
,
S.
Tongay
,
J.
Zhou
,
J. B.
Li
, and
J. Q.
Wu
,
Appl. Phys. Lett.
102
(
1
),
012111
(
2013
).
34.
35.
W. J.
Zhao
,
Z.
Ghorannevis
,
K. K.
Amara
,
J. R.
Pang
,
M.
Toh
,
X.
Zhang
,
C.
Kloc
,
P. H.
Tan
, and
G.
Eda
,
Nanoscale
5
(
20
),
9677
(
2013
).
36.
E.
del Corro
,
H.
Terrones
,
A.
Elias
,
C.
Fantini
,
S. M.
Feng
,
M. A.
Nguyen
,
T. E.
Mallouk
,
M.
Terrones
, and
M. A.
Pimenta
,
ACS Nano
8
(
9
),
9629
(
2014
).
37.
Y. H.
Sun
,
R. M.
Wang
, and
K.
Liu
,
Appl. Phys. Rev.
4
(
1
),
111301
(
2017
).
38.
D. Y.
Fu
,
K.
Liu
,
T.
Tao
,
K.
Lo
,
C.
Cheng
,
B.
Liu
,
R.
Zhang
,
H. A.
Bechtel
, and
J. Q.
Wu
,
J. Appl. Phys.
113
(
4
),
043707
(
2013
).
39.
K.
Liu
,
C.
Cheng
,
Z. T.
Cheng
,
K. V.
Wang
,
R.
Ramesh
, and
J. Q.
Wu
,
Nano Lett.
12
(
12
),
6302
(
2012
).
40.
S. H.
Elmahalawy
and
B. L.
Evans
,
J. Appl. Crystallogr.
9
,
403
(
1976
).
41.
D.
Kucharczyk
and
T.
Niklewski
,
J. Appl. Crystallogr.
12
,
370
(
1979
).
42.
S. B.
Desai
,
G.
Seol
,
J. S.
Kang
,
H.
Fang
,
C.
Battaglia
,
R.
Kapadia
,
J. W.
Ager
,
J.
Guo
, and
A.
Javey
,
Nano Lett.
14
(
8
),
4592
(
2014
).
43.
M. L.
Tsai
,
S. H.
Su
,
J. K.
Chang
,
D. S.
Tsai
,
C. H.
Chen
,
C. I.
Wu
,
L. J.
Li
,
L. J.
Chen
, and
J. H.
He
,
ACS Nano
8
(
8
),
8317
(
2014
).
44.
X. F.
Li
,
M. W.
Lin
,
J. H.
Lin
,
B.
Huang
,
A. A.
Puretzky
,
C.
Ma
,
K.
Wang
,
W.
Zhou
,
S. T.
Pantelides
,
M. F.
Chi
,
I.
Kravchenko
,
J.
Fowlkes
,
C. M.
Rouleau
,
D. B.
Geohegan
, and
K.
Xiao
,
Sci. Adv.
2
(
4
),
e1501882
(
2016
).
45.
M. Y.
Li
,
Y. M.
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
(
6247
),
524
(
2015
).
46.
M. M.
Furchi
,
A.
Pospischil
,
F.
Libisch
,
J.
Burgdörfer
, and
T.
Mueller
,
Nano Lett.
14
(
8
),
4785
(
2014
).
47.
X. D.
Duan
,
C.
Wang
,
J. C.
Shaw
,
R.
Cheng
,
Y.
Chen
,
H. L.
Li
,
X. P.
Wu
,
Y.
Tang
,
Q. L.
Zhang
,
A. L.
Pan
,
J. H.
Jiang
,
R. Q.
Yu
,
Y.
Huang
, and
X. F.
Duan
,
Nat. Nanotechnol.
9
(
12
),
1024
(
2014
).
48.
M. Y.
Lu
,
Y. T.
Chang
, and
H. J.
Chen
,
Small
14
(
40
),
e1802302
(
2018
).
49.
B.
Wang
,
S. X.
Yang
,
C.
Wang
,
M. H.
Wu
,
L.
Huang
,
Q.
Liu
, and
C. B.
Jiang
,
Nanoscale
9
(
30
),
10733
(
2017
).
50.
L. H.
Zeng
,
M. Z.
Wang
,
H.
Hu
,
B.
Nie
,
Y. Q.
Yu
,
C. Y.
Wu
,
L.
Wang
,
J. G.
Hu
,
C.
Xie
,
F. X.
Liang
, and
L. B.
Luo
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
5
(
19
),
9362
(
2013
).
51.
D.
Wu
,
Y.
Jiang
,
Y. G.
Zhang
,
J. W.
Li
,
Y. Q.
Yu
,
Y. P.
Zhang
,
Z. F.
Zhu
,
L.
Wang
,
C. Y.
Wu
,
L. B.
Luo
, and
J. S.
Jie
,
J. Mater. Chem.
22
(
13
),
6206
(
2012
).
52.
S. C.
Kung
,
W. E.
van der Veer
,
F.
Yang
,
K. C.
Donavan
, and
R. M.
Penner
,
Nano Lett.
10
(
4
),
1481
(
2010
).
53.
Y. T.
Lee
,
P. J.
Jeon
,
J. H.
Han
,
J.
Ahn
,
H. S.
Lee
,
J. Y.
Lim
,
W. K.
Choi
,
J. D.
Song
,
M. C.
Park
,
S.
Im
, and
D. K.
Hwang
,
Adv. Funct. Mater.
27
(
47
),
1703822
(
2017
).
54.
J.
Ahn
,
P. J.
Jeon
,
S. R. A.
Raza
,
A.
Pezeshki
,
S. W.
Min
,
D. K.
Hwang
, and
S.
Im
,
2D Mater.
3
(
4
),
045011
(
2016
).
55.
A.
Pezeshki
,
S.
Hossein
,
H.
Shokouh
,
T.
Nazari
,
K.
Oh
, and
S.
Im
,
Adv. Mater.
28
(
16
),
3216
(
2016
).
56.
M. S.
Choi
,
D.
Qu
,
D.
Lee
,
X.
Liu
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
, and
W. J.
Yoo
,
ACS Nano
8
(
9
),
9332
(
2014
).
57.
H.
Xu
,
J. X.
Wu
,
Q. L.
Feng
,
N. N.
Mao
,
C. M.
Wang
, and
J.
Zhang
,
Small
10
(
11
),
2300
(
2014
).
58.
P.
Hazra
,
S. K.
Singh
, and
S.
Jit
,
J. Semicond. Technol. Sci.
14
(
1
),
117
(
2014
).
59.
H.
Li
,
L.
Ye
, and
J. B.
Xu
,
ACS Photonics
4
(
4
),
823
(
2017
).
60.
F.
Wang
,
L.
Yin
,
Z. X.
Wang
,
K.
Xu
,
F. M.
Wang
,
T. A.
Shifa
,
Y.
Huang
,
C.
Jiang
, and
J.
He
,
Adv. Funct. Mater.
26
(
30
),
5499
(
2016
).
61.
G.
Konstantatos
,
M.
Badioli
,
L.
Gaudreau
,
J.
Osmond
,
M.
Bernechea
,
F. P. G.
de Arquer
,
F.
Gatti
, and
F. H. L.
Koppens
,
Nat. Nanotechnol.
7
(
6
),
363
(
2012
).
62.
D. J.
Late
,
B.
Liu
,
H.
Matte
,
V. P.
Dravid
, and
C. N. R.
Rao
,
ACS Nano
6
(
6
),
5635
(
2012
).
63.
Z.
Hu
,
Z.
Wu
,
C.
Han
,
J.
He
,
Z.
Ni
, and
W.
Chen
,
Chem. Soc. Rev.
47
(
9
),
3100
(
2018
).
64.
D. Y.
Guo
,
Y. L.
Su
,
H. Z.
Shi
,
P. G.
Li
,
N.
Zhao
,
J. H.
Ye
,
S. L.
Wang
,
A. P.
Liu
,
Z. W.
Chen
,
C. R.
Li
, and
W. H.
Tang
,
ACS Nano
12
(
12
),
12827
(
2018
).
65.
X. J.
Sun
,
D. B.
Li
,
Z. M.
Li
,
H.
Song
,
H.
Jiang
,
Y. R.
Chen
,
G. Q.
Miao
, and
Z. W.
Zhang
,
Sci. Rep.
5
,
16819
(
2015
).
66.
A.
Vardi
,
G.
Bahir
,
F.
Guillot
,
C.
Bougerol
,
E.
Monroy
,
S. E.
Schacham
,
M.
Tchernycheva
, and
F. H.
Julien
,
Appl. Phys. Lett.
92
(
1
),
011112
(
2008
).
67.
M.
Garg
,
B. R.
Tak
,
V. R.
Rao
, and
R.
Singh
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
11
(
12
),
12017
(
2019
).
68.
A.
Gundimeda
,
S.
Krishna
,
N.
Aggarwal
,
A.
Sharma
,
N. D.
Sharma
,
K. K.
Maurya
,
S.
Husale
, and
G.
Gupta
,
Appl. Phys. Lett.
110
(
10
),
103507
(
2017
).
69.
K. C.
Dong
,
S.
Hong
,
Y.
Deng
,
H.
Ma
,
J. C.
Li
,
X.
Wang
,
J.
Yeo
,
L. T.
Wang
,
S.
Lou
,
K. B.
Tom
,
K.
Liu
,
Z.
You
,
Y.
Wei
,
C. P.
Grigoropoulos
,
J.
Yao
, and
J. Q.
Wu
,
Adv. Mater.
30
(
5
),
1870034
(
2018
).
70.
K.
Liu
,
S.
Lee
,
S.
Yang
,
O.
Delaire
, and
J. Q.
Wu
,
Mater Today
21
(
8
),
875
(
2018
).
71.
Y.
Chen
,
X. D.
Wang
,
G. J.
Wu
,
Z.
Wang
,
H. H.
Fang
,
T.
Lin
,
S.
Sun
,
H.
Shen
,
W. D.
Hu
,
J. L.
Wang
,
J. L.
Sun
,
X. J.
Meng
, and
J. H.
Chu
,
Small
14
(
9
),
1703293
(
2018
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.