【Topical Review】北京科技大学孙萌涛教授课题组 | 过渡金属二硫化物异质结：光电性质

TOPICAL REVIEW

Rui Yang, Jianuo Fan, and Mengtao Sun*, Transition metal dichalcogenides (TMDCs) heterostructures: Optoelectric properties, Frontiers of Physics 17(4), 43202 (2022)石墨烯的发现引发了二维材料的研究热潮。随后，一系列的二维材料如黑磷、过渡金属二硫化物（TMDCs）、硼烯等引起了研究人员的兴趣。TMDCs具有较高的载流子迁移率和产率，并且具有带隙可调的性质。结构多样的层状TMDCs在常温环境下可以稳定存在，其带隙对应的波长位于可见光和红外波段。其可以作为光电器件、光伏器件、储能器件、催化器件等的候选材料。TMDCs超薄、平整、几乎无缺陷的表面以及优异的机械柔韧性和化学稳定性为构建不同类型的TMDCs异质结提供了基础。TMDCs异质结根据堆叠方式的不同可分为垂直异质结和横向异质结，两种异质结分别显示出不同的光学性质。如MoS₂/WS₂垂直范德瓦尔斯异质结负的介电常数实部展现出了等离激元效应，而横向异质结中观察不到这一现象。WSe₂/MoSe₂范德华异质结中压力依赖的界面电荷转移激子同样有趣。压力不仅可以控制界面电荷转移的程度，还可以控制界面电荷转移的方向。同时由于异质结的带隙和有效质量也与压力相关，所以压力也可以调节WSe₂/MoSe₂异质结的本征载流子浓度。
Cheng等人[1]通过垂直堆叠p型二硒化钨 (WSe₂) 和n型二硫化钼 (MoS₂)制备了原子级厚度的WSe₂/MoS₂异质结p-n二极管。WSe₂/MoS₂ 异质结具有出色的 p-n 二极管特性并且显示出明显的电流整流行为，理想因子为1.2，可以实现高效地生成光电流。并且光电流显示p-n结有快速的光响应，外部量子效率高达 12%。WSe₂的光致发光光谱显示出独特的层数依赖性。该p-n二极管为光电探测器、光伏器件以及激光器的设计提供了基础。Yu等人[2]利用带隙为1 eV并且具有高载流子迁移率的MoTe₂和石墨烯组成范德华异质结，并且将该异质结用作近红外光电探测器，实现了970.82 A•W^-1的高响应度、4.69×10⁸的极高光电导增益以及1.55×10¹¹cm•Hz^1/2•W⁻¹的探测率。其优异的抗应变能力也为其制备宽带近红外光电探测器提供了条件。Kang等人[3]制备的ReS₂/石墨烯异质结显示出更高的高达7×10⁵ A•W⁻¹的响应度以及1.9×10¹³Jones的探测率。So等人[4]利用石墨烯、多层六方氮化硼以及二硒化钨组成的范德华异质结构利用原子力显微镜引起压痕处的应变实现电驱动的单光子发射器。压痕处的发射表现出光子反束缚行为，并且观察到了单光子发射的精细结构。该研究对集成量子光源的实际应用提供了理论基础。
本文综述了基于TMDCs材料的异质结的光电特性。作为层状纳米材料的一个重要分支，由TMDCs材料构成的异质结极大地弥补了石墨烯在光电材料应用中的不足。可调节的带隙使用TMDCs在光电传感器等领域得到广泛的应用。基于TMDCs异质结材料的p-n二极管、光电探测器和光敏器件性能十分突出。这些器件为未来高性能光电器件的设计和开发提供了原型。

References

1.  R. Cheng, D. Li, H. Zhou, C. Wang, A. Yin, S. Jiang, Y. Liu, Y. Chen, Y. Huang, and X. Duan, Nano Lett. 14(10), 5590 (2014)
2.  W. Yu, S. Li, Y. Zhang, W. Ma, T. Sun, J. Yuan, K. Fu, and Q. Bao, Small 13(24), 1700268 (2017)
3.   B. Kang, Y. Kim, W. J. Yoo, and C. Lee, Small 14(45), 1802593 (2018)
4.   J. P. So, H. R. Kim, H. Baek, K. Y. Jeong, H. C. Lee, W. Huh, Y. S. Kim, K. Watanabe, T. Taniguchi, J. Kim, C. H. Lee, and H. G. Park, Sci. Adv. 7(43), eabj3176 (2021)

全文下载：
https://journal.hep.com.cn/fop/EN/pdf/10.1‍007/s11467-022-1176-z

https://journal.hep.com.cn/fop/EN/10.1007/s11467-022-11‍76-z 

孙萌涛，北京科技大学教授，博士生导师。主要从事基于表面等离激元局域增强和表面等离激元波导远程激发的分子拉曼光谱的实验和理论研究，自主研发高真空针尖增强拉曼光谱仪，实现目标分子拉曼光谱的超灵敏检测，并揭示表面等离激元增强拉曼光谱的物理和化学机制。以通讯作者(或第一作者)在国际重要学术期刊上发表SCI 论文超过300篇，其中ESI 高引论文10篇。论文引用11000多次， H-index 60。详见：
http://shuli.ustb.edu.cn/shiziduiwu/jiaoshixinxi/2018-03-28/201.html 

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编辑：黄琦

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