二維材料電致橫向PN結及縱向異質結快速轉移制備

1 研究成果概述

浙江大學光電科學與工程學院李林軍研究員團隊，基于現代光伏、光電探測領域的基本元器件PN結/肖特基結的快速制備，發(fā)展出了以二維鐵電材料CuInP2S6中電壓驅動離子遷移的方法快速制備橫向PN結，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，該團隊也針對化學氣相沉積等方法生長的巨量二維材料，發(fā)展出了一種縱向異質結的快速無損制備方法，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

現代光伏和光電探測等器件依賴于功能化同質或異質結的高質量制備。目前的同質或異質結的制備依賴于化學摻雜、柵極調控等手段，具有不可避免的雜質污染以及制備工藝復雜等缺點。二維材料作為器件微型化研究方面的明星材料，其異質結的快速大量且高質量制備一直以來都是該領域亟待解決的問題。

3 文章亮點

最近，浙大光電學院李林軍研究團隊通過在二維材料光電器件領域的長期探索，基于不同類別材料特性以及目標器件結構的特性需要，發(fā)現或發(fā)展了高效快速制備同質結和異質結的方法。該研究團隊發(fā)現對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空間非均勻性，進一步研究發(fā)現，僅通過在材料兩端施加一定的偏壓，即可在材料中快速形成PN同質結（圖1）， 無需額外的化學或電柵極摻雜。

圖1. 偏壓導致的離子遷移及PN結特性形成。

他們測量了光照下該同質結的光伏特性， 發(fā)現該結具有電壓可調的光伏極性轉換（圖2）。該快速制備二維材料PN結的方法可用于基于二維材料的低成本快速消費柔性光電產品的制備。

圖2. 鐵電極化電壓調控同質結光伏極性轉換。

該團隊還針對化學氣相沉積方法可巨量生長的二維薄膜材料的異質結的快速制備問題，發(fā)展出了一種高效且高質量的制備方法，創(chuàng)造性地利用水膜浸潤轉移界面，根據材料或襯底的親水疏水性不同，改變材料和不同襯底的結合力，從而達到原位快速高質量轉移二維材料到目標區(qū)域、目標器件。該方法實現了快速、定點、無污染和低材料損耗且高質量的異質結的制備（圖3）。

圖3. 二維材料異質結的快速高質量制備及肖特基結寬帶光電響應。

4 總結與展望

這些研究是該團隊在基于低維材料光電器件和應用的研究中的部分成果，針對不同的材料類別以及應用目標提出了高效的PN結/肖特基結的制備方法，為低維材料特別是二維材料的光電器件的實際應用往前推進了一步。

5 論文/作者信息

兩項研究成果在線發(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