华南理工大学李国强教授团队《ACS Nano》：一维GaN纳米柱/二维TMD异质结制备及其自供电光电探测应用

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近年来，基于二维半导体过渡金属硫族化合物（TMD）的vdW异质结因其优异的物理特性，以及在自供电光电子领域的潜在应用，已成为广泛研究的焦点。目前大多数研究都集中在用机械堆叠的策略构建基于TMD的2D/2D vdW异质结构上，然而，堆叠过程可能会在界面处引入结构缺陷和杂质，且2D/2D较弱的光吸收都导致光电性能下降，而一维纳米柱阵列结构因其高比表面积和多重光散射效应能大幅增强对光的吸收，从而提高光电响应性能。因此，探究采用外延的方法构建1D/2D vdW异质结对发展高性能自供电光电器件具有重要意义。

华南理工大学李国强教授团队在《ACS Nano》期刊上发表了题为“Vertical 1D/2D Heterojunction Architectures for Self-Powered Photodetection Application: GaN Nanorods Grown on Transition Metal Dichalcogenides”的文章（DOI：10.1021/acsnano.1c09791）。本论文提出了在二维TMDs（MoS₂、WS₂和MoSe₂）上直接准范德华外延生长一维GaN纳米柱阵列，构建垂直1D/2D vdW异质结。基于该异质结制备的自供电光电探测器，表现出了优异的光伏响应性能，探测器在无偏压下的光响应度达到10.1 A W⁻¹@365 nm，探测器为2.3×10¹³ Jones，器件也展示了快速的光响应速度，其上升/衰减时间为0.5/4.2 ms。优异的光电性能可归因于两个方面：特殊的垂直1D/2D异质结构和GaN/TMDs异质结的II型能带结构。一方面，垂直排列的高质量GaN纳米柱阵列提高了对紫外光吸收，纳米柱阵列结构提供了无数的平行光生载流子通道，以及具有高载流子迁移率的二维TMDs，因此提高了光生载流子密度；另一方面，GaN/TMDs界面的强层间耦合及其II型能带排列结构可以有效地分离光生电子−空穴对，有利于自供电探测器的光电转换和传输。这项工作提供的构建1D/2D异质结构的准范德华外延生长方法，扩展了低维vdW异质结构在自供电光电子、太阳电池、锂电池等新能源产业的应用范围，推动新能源电池等行业的不断发展，在新能源汽车、光伏网络和环境监测方面具有广阔的应用前景。

图1 （A）在TMDs（MoS₂、WS₂和MoSe₂）上生长GaN纳米柱阵列的制备概念和示意图；（B₁-B₃）OM图像；（C）GaNTMDs/Si异质结构的原子结构图；（D-F）TMDs和GaN的XPS光谱

图2 生长在TMDs上GaN纳米柱阵列总体分布的拉曼mapping图像和拉曼光谱

图3 垂直1D/2D vdW异质结的高分辨TEM图像的原子结构

图4 基于垂直GaN/TMDs/Si异质结的自供电探测器的光响应性能

图5 垂直GaN/TMDs/Si异质结构的载流子输运机制和能带结构（以MoS₂为例）

作者简介

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李国强，华南理工大学教授、博导，国家“万人计划”科技创新领军人才、国家长江学者青年学者、国家优青。长期致力于第三代半导体材料与器件、新能源材料与器件、移动通信核心元器件研究，推动了我国具有独立知识产权的高性能半导体材料与器件核心技术的进步并实现了成果产业化。研究成果发表Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Rep. Prog. Phys.等高水平学术论文180余篇，获授权中国发明专利100多件。获得广东省技术发明一等奖、广东省丁颖科学奖、中国有色金属工业科学技术一等奖等荣誉奖项。课题组团队：王文樑，华南理工大学副教授、硕导，中国科协青年人才托举、广东省杰青、香江学者。华南理工大学博士研究生郑昱林为论文的第一作者。

原文链接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c09791

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