二維材料電致橫向PN結(jié)及縱向異質(zhì)結(jié)快速轉(zhuǎn)移制備

1 研究成果概述

浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院李林軍研究員團(tuán)隊(duì)，基于現(xiàn)代光伏、光電探測(cè)領(lǐng)域的基本元器件PN結(jié)/肖特基結(jié)的快速制備，發(fā)展出了以二維鐵電材料CuInP2S6中電壓驅(qū)動(dòng)離子遷移的方法快速制備橫向PN結(jié)，研究成果以“Highly Tunable Lateral Homojunction Formed in Two-Dimensional Layered CuInP2S6 via In-Plane Ionic Migration”為題于2023年1月12日發(fā)表于《ACS Nano》期刊。另外，該團(tuán)隊(duì)也針對(duì)化學(xué)氣相沉積等方法生長(zhǎng)的巨量二維材料，發(fā)展出了一種縱向異質(zhì)結(jié)的快速無(wú)損制備方法，文章以“ Fast fabrication of WS2/Bi2Se3 heterostructure for high-performance photodetection”為題于2023年2月7日發(fā)表于《ACS Applied Materials & Interface》期刊。

2 背景介紹

現(xiàn)代光伏和光電探測(cè)等器件依賴于功能化同質(zhì)或異質(zhì)結(jié)的高質(zhì)量制備。目前的同質(zhì)或異質(zhì)結(jié)的制備依賴于化學(xué)摻雜、柵極調(diào)控等手段，具有不可避免的雜質(zhì)污染以及制備工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)。二維材料作為器件微型化研究方面的明星材料，其異質(zhì)結(jié)的快速大量且高質(zhì)量制備一直以來(lái)都是該領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題。

3 文章亮點(diǎn)

最近，浙大光電學(xué)院李林軍研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)在二維材料光電器件領(lǐng)域的長(zhǎng)期探索，基于不同類別材料特性以及目標(biāo)器件結(jié)構(gòu)的特性需要，發(fā)現(xiàn)或發(fā)展了高效快速制備同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)的方法。該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)對(duì)于具有離子可遷移型二維鐵電材料，如CuInP2S6，其Cu離子可在器件偏壓下發(fā)生橫向或縱向遷移，從而使材料本身鐵電極化出現(xiàn)空間非均勻性，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，僅通過(guò)在材料兩端施加一定的偏壓，即可在材料中快速形成PN同質(zhì)結(jié)（圖1）， 無(wú)需額外的化學(xué)或電柵極摻雜。

圖1. 偏壓導(dǎo)致的離子遷移及PN結(jié)特性形成。

他們測(cè)量了光照下該同質(zhì)結(jié)的光伏特性， 發(fā)現(xiàn)該結(jié)具有電壓可調(diào)的光伏極性轉(zhuǎn)換（圖2）。該快速制備二維材料PN結(jié)的方法可用于基于二維材料的低成本快速消費(fèi)柔性光電產(chǎn)品的制備。

圖2. 鐵電極化電壓調(diào)控同質(zhì)結(jié)光伏極性轉(zhuǎn)換。

該團(tuán)隊(duì)還針對(duì)化學(xué)氣相沉積方法可巨量生長(zhǎng)的二維薄膜材料的異質(zhì)結(jié)的快速制備問(wèn)題，發(fā)展出了一種高效且高質(zhì)量的制備方法，創(chuàng)造性地利用水膜浸潤(rùn)轉(zhuǎn)移界面，根據(jù)材料或襯底的親水疏水性不同，改變材料和不同襯底的結(jié)合力，從而達(dá)到原位快速高質(zhì)量轉(zhuǎn)移二維材料到目標(biāo)區(qū)域、目標(biāo)器件。該方法實(shí)現(xiàn)了快速、定點(diǎn)、無(wú)污染和低材料損耗且高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)的制備（圖3）。

圖3. 二維材料異質(zhì)結(jié)的快速高質(zhì)量制備及肖特基結(jié)寬帶光電響應(yīng)。

4 總結(jié)與展望

這些研究是該團(tuán)隊(duì)在基于低維材料光電器件和應(yīng)用的研究中的部分成果，針對(duì)不同的材料類別以及應(yīng)用目標(biāo)提出了高效的PN結(jié)/肖特基結(jié)的制備方法，為低維材料特別是二維材料的光電器件的實(shí)際應(yīng)用往前推進(jìn)了一步。

5 論文/作者信息

兩項(xiàng)研究成果在線發(fā)表于《ACS Nano》期刊【Huanfeng Zhu,* Jialin Li, Qiang Chen, Wei Tang, Xinyi Fan, Fan Li, and Linjun Li*, Highly Tunable Lateral Homojunction Formed in Two-Dimensional Layered CuInP2S6 via In-Plane Ionic Migration, ACS Nano，17，1239 (2023)】和《ACS applied materials and interfaces》期刊【Fan Li, Jialin Li, Junsheng Zheng, Yuanbiao Tong, Huanfeng Zhu, Pan Wang, and Linjun Li*, Fast fabrication of WS2/Bi2Se3 heterostructure for high-performance photodetection, ACS APPL. MATER. INTER. (2023)】。

審核編輯 ：李倩