基于二維材料的壓電光電子學器件綜述

二維（2D）材料由于原子級超薄、可調(diào)帶隙和優(yōu)異的光電性質(zhì)，在柔性光電子學領(lǐng)域有著巨大的潛力。利用應(yīng)變誘導(dǎo)的壓電勢或壓電極化電荷可以調(diào)控二維材料界面載流子的傳輸和光電過程，這種將壓電、半導(dǎo)體特性、光激發(fā)三者耦合產(chǎn)生的壓電光電子學效應(yīng)推動了新型二維材料光電器件的開發(fā)，特別是壓電光電子學增強的光電探測、光電化學、氣體傳感和太陽能電池等方向。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，針對近年來二維材料在壓電光電子學領(lǐng)域取得的研究進展，中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士、翟俊宜研究員等人進行了綜述分析，在《中國科學》期刊發(fā)表了題為“基于二維材料的壓電光電子學器件”的綜述文章，重點介紹了壓電光電子學的基本原理以及壓電光電子學效應(yīng)調(diào)制的基于二維材料光電探測器、光電催化、氣體傳感器、太陽能電池的最新研究進展，并對這一新興領(lǐng)域未來的挑戰(zhàn)和科學突破進行了展望。

基于二維材料的壓電光電子學器件的原理是以應(yīng)變誘導(dǎo)的電荷作為“門”電壓調(diào)控二維壓電半導(dǎo)體局部界面的載流子濃度和分布或者能帶結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)機械信號可調(diào)的光電性能，這為主動式柔性光電子學的實現(xiàn)開拓了新的道路。

壓電光電子學效應(yīng)

壓電光電子學效應(yīng)的調(diào)控機理

隨著材料合成在分子水平取得重要發(fā)展，二維材料中的壓電性越來越受到關(guān)注。六方二維半導(dǎo)體材料例如TMDCs (MX2, M=Mo, W; X=S, Se, Te)，由于非中心對稱結(jié)構(gòu)具有本征壓電性，是低維壓電材料的理想候選者。此外，金屬和半導(dǎo)體之間形成肖特基接觸的器件是壓電光電子學的研究熱點之一。當金屬和半導(dǎo)體接觸時，在結(jié)區(qū)發(fā)生了電荷的重新分配，兩邊費米能級對齊達到熱平衡狀態(tài)，并在金屬-半導(dǎo)體（M-S）界面形成肖特基勢壘。對于具有良好壓電性的半導(dǎo)體，半導(dǎo)體一側(cè)附近的壓電電荷可以有效地調(diào)制肖特基勢壘高度（SBH），從而調(diào)節(jié)器件的電學輸運特性。與應(yīng)變誘導(dǎo)的壓電電荷改變M-S接觸界面的SBH機理類似，p-n結(jié)處的能帶也可以由壓電電荷來調(diào)制，因此p-n結(jié)也是壓電光電子學中的常用結(jié)構(gòu)之一。

金屬-半導(dǎo)體肖特基接觸界面和p-n結(jié)界面的壓電光電子學效應(yīng)

基于二維材料的壓電光電子學研究進展

光電探測器是通過將吸收的光子能量轉(zhuǎn)換為電信號來測量光子通量或光功率的器件。對于肖特基或p-n結(jié)型光電探測器，界面處能帶結(jié)構(gòu)的精準調(diào)控決定了器件的光電性能。近年來，二維層狀半導(dǎo)體由于帶隙可調(diào)、高遷移率和優(yōu)越的機械性能，廣泛應(yīng)用于光電子、柔性器件等領(lǐng)域。傳統(tǒng)基于二維材料的界面調(diào)控通常通過硬質(zhì)襯底上施加靜電偏壓實現(xiàn)。然而，當制備柔性光電器件時，復(fù)雜制造工藝（如制備高質(zhì)量的柵介質(zhì)層）的引入和界面態(tài)的存在可能會降低電學性能。由于許多單原子層的二維材料具有本征壓電性，因此壓電光電子學效應(yīng)可以作為界面調(diào)控的新型方法。

壓電光電子學效應(yīng)調(diào)制的光電探測器

利用光催化或光電催化裂解水制氫和降解有機污染物被認為是當前能源可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境整治最有前景的方法。催化過程中光生載流子在半導(dǎo)體表面的復(fù)合和捕獲是抑制光催化性能的重要因素。施加應(yīng)變和光照時，應(yīng)變誘導(dǎo)的內(nèi)建電場和催化劑的能帶彎曲可以持續(xù)促進載流子的分離。同時對光催化劑界面能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)制同樣可以影響載流子的傳輸，最終影響光催化性能。二維少層MoS2同時具有壓電性和半導(dǎo)體特性，當打破其層間作用力暴露出更多的邊緣活性位點時可以提高催化性能，因此可以作為一種壓電輔助催化劑。

壓電光電子學效應(yīng)調(diào)制的光電化學反應(yīng)

未來的電子傳感系統(tǒng)需要高比表面積和超高靈敏度的氣體傳感器，而以往的傳感器均受限于較低的靈敏度、高成本和復(fù)雜的制造工藝。壓電光電子學效應(yīng)增強的NO2傳感器在未來小型化、便攜式和超靈敏氣體傳感系統(tǒng)中表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

此外，太陽能電池是一種通過光伏效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的器件，利用p-n結(jié)或者M-S接觸的內(nèi)建電場來對入射光誘導(dǎo)的電子-空穴對進行分離。目前壓電光電子學效應(yīng)增強太陽能電池多采用基于第三代半導(dǎo)體量子點、納米線和薄膜的材料體系。二維材料具有獨特的光電特性，但目前基于二維材料的壓電光電子學效應(yīng)調(diào)制太陽能電池還處在理論模型階段。

壓電光電子學效應(yīng)調(diào)制的氣體傳感器和太陽能電池

研究展望

二維材料的超薄層狀結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理、化學性質(zhì)為研究壓電光電子學提供了理想的平臺。目前已經(jīng)證明了壓電光電子學效應(yīng)在基于二維材料的各種應(yīng)用中的潛力，包括自供電系統(tǒng)、人機接口、光電傳感、能量收集和環(huán)境檢測等。

盡管這一新興領(lǐng)域取得了巨大的進展，但要全面了解并充分發(fā)展壓電光電子學，仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。（1）需要繼續(xù)探索二維材料的壓電性。（2）二維壓電光電子器件的穩(wěn)定性和可靠性需要重視。（3）將二維材料的壓電性與其他有趣的性質(zhì)，如熱電性、鐵磁性、超導(dǎo)或自旋電子學有機結(jié)合，以促進產(chǎn)生新的技術(shù)應(yīng)用或新物理學的科學突破。（4）需要更可行的表征方法來直接探測界面動力學和記錄應(yīng)變時壓電極化電荷的動態(tài)分布。（5）需要計算并確認壓電電荷在不同缺陷中影響電子和空穴的定量關(guān)系。（6）二維材料的生長工藝需要進一步發(fā)展。這些研究對于合理設(shè)計、優(yōu)化壓電光電子學器件、推動器件實用化進程和進一步發(fā)展學科體系至關(guān)重要。

審核編輯：劉清