We report on the fabrication of top-gate phototransistors based on a few-layered MoS2 nanosheet with a transparent gate electrode. Our devices with triple MoS2 layers exhibited excellent photodetection capabilities for red light, while those with single- and double-layers turned out to be quite useful for green light detection. The varied functionalities are attributed to energy gap modulation by the number of MoS2 layers. The photoelectric probing on working transistors with the nanosheets demonstrates that single-layer MoS2 has a significant energy bandgap of 1.8 eV, while those of double- and triple-layer MoS2 reduce to 1.65 and 1.35 eV, respectively.

The effective synthesis of two-dimensional transition metal dichalcogenides alloy is essential for successful application in electronic and optical devices based on a tunable band gap. Here we show a synthesis process for Mo1-xWxS2 alloy using sulfurization of super-cycle atomic layer deposition Mo1-xWxOy. Various spectroscopic and microscopic results indicate that the synthesized Mo1-xWxS2 alloys have complete mixing of Mo and W atoms and tunable band gap by systematically controlled composition and layer number. Based on this, we synthesize a vertically composition-controlled (VCC) Mo1-xWxS2 multilayer using five continuous super-cycles with different cycle ratios for each super-cycle. Angle-resolved X-ray photoemission spectroscopy, Raman and ultraviolet-visible spectrophotometer results reveal that a VCC Mo1-xWxS2 multilayer has different vertical composition and broadband light absorption with strong interlayer coupling within a VCC Mo1-xWxS2 multilayer. Further, we demonstrate that a VCC Mo1-xWxS2 multilayer photodetector generates three to four times greater photocurrent than MoS2- and WS2-based devices, owing to the broadband light absorption.