【Topical Review】昆士兰科技大学寇良志课题组 | 二维Janus范德华异质结：最新研究进展

TOPICAL REVIEW

Lin Ju, Mei Bie, Xiwei Zhang, Xiangming Chen, and Liangzhi Kou*,
Two-dimensional Janus van der Waals heterojunctions: A review of recent research progresses, Front. Phys. 16(1), 13201 (2021), arXiv: 2009.12985.

可复制至浏览器或点击下方原文链接下载全文：（https://journal.hep.com.cn/fop/EN/pdf/10.1007/s11467-020-1002-4）

*Special Topic: Heterojunction and Its Applications (Ed. Chenghua Sun). 

可复制至浏览器打开

（https://journal.hep.com.cn/fop/EN/collection/showCollection.do?id=206）

二维Janus范德华异质结特指异质结的至少一种材料是Janus材料。这样的异质结具有可调控的电子结构、宽的光吸收谱、可控接触电阻、内禀极化和独特层间相互作用导致的高氧化还原势。这些新奇的结构和性质在电子器件和能量转化器件的设计中有潜在应用。最近，昆士兰科技大学寇良志课题组的CSC访问学者鞠林发表综述，论述了二维Janus范德华异质结的最新研究进展，文章概述了几类二维Janus范德华异质结的基本性质，包括电子结构、界面接触电阻和光学性质，讨论了其在电子器件和能量转化器件中的潜在应用，并分析了此类新型异质结在未来研究中的挑战和潜在发展方向。近年来，以石墨烯、石墨相氮化碳（g-C₃N₄）、二硫化钼（MoS₂）、磷烯和二维过渡金属碳氮化物（MXenes）为代表性的二维层状材料，由于其卓越的电学/力学性质以及在纳米器件中的潜在应用价值，引起广泛的研究兴趣。与单一组分材料不同，范德华异质结包含多组分层状材料，因而它为发现新奇特性和潜在应用提供更多可能。范德华异质结层间耦合较弱，各个组分的多数内禀属性得以保存，因而在异质结中有可能将这些优势结合起来，并克服单一组分材料的缺点，比如低量子效率、严重的电荷复合和化学逆反应。基于范德华异质结的多种纳米器件已被研制或设计出来，比如场效应管、太阳能电池、发光二极管和光电探测器等。在种类众多的二维范德华异质结中，Janus异质结是一个特别的存在，它的至少一个组分是Janus结构层状材料。不同于传统的范德华异质结，单层Janus材料具有内禀的非对称面外电偶极矩，它与层间极化场的耦合为调控异质结的物理/化学性质提供一个新的自由度，从而产生新奇性质和潜在应用价值（图1）。图 1 二维Janus 范德华异质结的基本性质和潜在应用。
二维Janus范德华异质结中，由于层内、层间极化和应变导致的晶格失配，带隙极易受到外部条件（比如应变和电场）的影响（图2a-c）。此外，异质结两个组分之间的能带排列决定了光吸收和电荷分离。而这些性质与光伏和光催化应用密切相关。而Janus异质结的能带排列可以通过改变材料的堆叠方式——进而改变Janus材料的本征极化来——调控（图2d，e）。

图 2（a）MoSSe–WSSe范德华异质结中应变对能隙的调控；（b）In₂STe-InSe范德华异质结中电场对能隙和能带边带位置的调控；（c）In₂STe-InSe范德华异质结中层间距对结合能和能隙的调控。（d）MoSSe-AlN和MoSSe-GaN垂直异质结中不同堆叠对能带边带位置的影响；（e）不同堆叠的MoSSe–GaN 垂直异质结的价带最大值对应变的依赖关系。[引自：Phys. Chem. Chem. Phys. 22(9), 4946 (2020); Appl. Surf. Sci. 509, 145317 (2020); Prog. Nat. Sci. 29(3), 335 (2019)]

一些研究表明二维Janus范德华异质结在压电、热电和光电器件中有潜在的应用。在石墨烯和二维MoSSe/MoSeTe三明治结构中（图3），光生载流子从 MoSSe/MoSeTe到两侧的石墨烯层在数百飞秒范围内有明显的优势方向。这个性质源于MoSSe/MoSeTe层的内建电场导致的非对称势。

图 3 左：石墨烯-MoSSe/MoSeTe-石墨烯范德华异质结。右：载流子分离能带图。Janus过渡金属硫化物层的能带从重硫族原子一侧（Se和Te）倾斜到轻硫族原子（S和Se）一侧。[引自：J. Phys. Chem. Lett. 11(10), 4070 (2020)]

由于独特结构和复杂的层内-层间极化相互作用，二维Janus范德华异质结表现出新的物理化学性质，例如可调带隙和带边位置、宽光吸收谱、可控接触电阻和高氧化还原势。这些优异的电学和光学性质赋予二维Janus范德华异质结在能量转换和电子器件方面巨大的潜在应用价值。目前，二维Janus范德华异质结的研究仍处于起步阶段，且主要集中在理论研究层面。未来的发展面临诸多挑战和机遇，比如实验上高质量二维Janus范德华异质结的合成和光催化中异质结的稳定性等问题。 

作者简介

鞠林，安阳师范学院校特聘教授。2014年博士毕业于山东大学物理学院。随后，作为高层次人才到安阳师范学院物理与电气工程学院开展科研教学工作。2016-2018年，山东大学原子分子物理研究所博士后；2018年11月，晋升为副教授。2019-2020年，昆士兰科技大学CSC访问学者。2021年1月，受聘为安阳师范学院校特聘教授。主要从事半导体光催化性能的理论研究。在J. Am. Chem. Soc.、ACS Appl. Mater. Interfaces、J. Mater. Chem. A等国际知名期刊上以第一作者身份发表SCI论文19 篇，主持国家自然科学基金2项、省部级科研项目1项、地厅级科研项目2项。寇良志，2011年博士毕业于南京航空航天大学纳米研究所，2010-2011年在内华达大学拉斯维加斯校区做访问学者，2012-2014年在德国不莱梅大学做洪堡学者，2014-2015年在澳大利亚新南威尔士大学做博士后，2015-2108年获得澳大利亚研究理事会DECRA Fellow（优青）。2015年起作为Lecturer任教于昆士兰科技大学（QUT），2017升任为Senior Lecturer。主要研究方向为二维材料的力电磁耦合、拓扑绝缘体、二维铁电及多铁材料及其在能源转换和存储方面的应用。现已发表论文120余篇，包括J. Am. Chem. Soc.、Nano Lett.、ACSNano、Adv. Mater.，引用超过5000次。

更多阅读请复制至浏览器打开：
Qian Niu, Advances on topological materials, Front. Phys. 15(4), 43601 (2020)
Special Collection: Recent Advances in Topological Materials (Eds. Yugui Yao, Xiangang Wan, Shengyuan A. Yang, Hua Chen).
可复制此链接至浏览器查看：https://journal.hep.com.cn/fop/EN/collection/showCollection.do?id=194Special Collection: Inorganic Two-Dimensional Nanomaterials (Eds. Changzheng Wu & Xiaojun Wu).
可复制此链接至浏览器查看：https://journal.hep.com.cn/fop/EN/collection/showCollection.do?id=193Special Collection: Graphene and other Two-Dimensional Materials (Eds. Kostya Novoselov, Daria Andreeva, Wencai Ren & Guangcun Shan).
可复制此链接至浏览器查看：https://journal.hep.com.cn/fop/EN/collection/showCollection.do?id=191Special Collection: Heterojunction and Its Applications (Ed. Chenghua Sun).
可复制此链接至浏览器查看：https://journal.hep.com.cn/fop/EN/collection/showCollection.do?id=206
Special Collection: Solar Energy Storage and Applications (Eds. Min Liu and Haotian Wang).
可复制此链接至浏览器查看：https://journal.hep.com.cn/fop/EN/collection/showCollection.do?id=201

Frontiers of Physics (FOP)期刊简介

Frontiers of Physics (FOP，IF 2.502)是由教育部发起、高教社出版、Springer海外发行的Frontiers系列英文学术期刊之一，旨在报道国际物理学领域的最新成果和研究进展，主要发表Topical Review、Review、Research Article、View & Perspective、Research Highlight，也委托专家组织特定前沿主题的专题。现任总主编：赵光达院士；执行主编：李定平教授；主编：龙桂鲁教授（量子计算与量子信息）、张卫平教授（AMO）、王楠林教授（凝聚态与材料物理）、李海波教授（核物理/粒子物理/天体物理与宇宙学）。期刊已被SCI, JCR, ADS, SCOPUS, INSPEC, Google Scholar, CSCI, CSCD等收录。2013-2018入选中国科技期刊提升计划资助项目，2019年入选中国科技期刊卓越行动计划资助项目。扫码添加《物理学前沿》交流群（或下面右侧的编辑微信号），期刊不定期开展学术报告会、作者分享会、学术写作培训会等学术活动：

——往期回顾——

为满足更多科研工作者的需求，蔻享平台开通了各科研领域的微信交流群。进群请添加微信18019902656（备注您的科研方向）小编拉您入群哟！蔻享网站www.koushare.com已开通自主上传功能，期待您的分享！

---

欢迎大家提供各类学术会议或学术报告信息，以便广大科研人员参与交流学习。

联系人：李盼 18005575053（微信同号）戳这里，下载全文哟！