混合维度范德华异质结构:基于2D黑磷与3D钛酸锶异质结的多功能光电器件

“你是光,你是电,你是唯一的神话。”正如歌词所唱,光电材料与器件对现代社会的渗透已经无孔不入。上天入地,包括窥探遥远星系,地球测绘,能源转换存储,监控心率,全息存储等等,不一而足,无不依赖光电器件。利用新型材料,构架异质架构,从来实现与众不同的功能,已经成为这一领域的研究热点。近几年,二维材料比如MoS2等表现出来了良好的光学和电学性能,为光电器件的研究打开了新的领域,一方面由于二维材料本为“天赋异禀”,在原子厚度,可以为体块材料为不为,另外一方面,二维材料本身是个自由主义者,可以独立存在,不同材料可以像积木般堆叠,使得不同材料优势互补,互惠互利,以此获得新型功能和现象。从另外一个角度看,每种二维材料可以“独立成章”(free standing),将二维材料装订一起,便可以讲述一个动人的故事。以这种方法得到的材料,也叫做“异质材料”,或者“范德华固体”(van der Waals solids)。已发现的异质材料,包括 MoSe2-WSe2以及异质结中的超长寿命层间激子, graphene-WS2以及异质结的强光与物质相互作用,等等。随着二维材料的飞速发展,全新的二维异质结构如隧穿晶体管(Tunnel field-effect transistor),二极管等也开始涌现,在光电器件领域搅动风云。


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也正是由于二维材料的“特立独行”,将其与传统的三维材料如有机小分子单晶,氧化物材料等相结合,形成混合维度范德华异质结,变得触手可及。这种异质结,虽然在质量上,较传统外延生长的异质结构相比,可能有所不及,但是在便利性以及灵活性上独具优势,因为不同材料间的结合不需要考虑晶格的匹配,直接通过范德华力进行结合。基于这种思路,新加坡南洋理工大学刘政团队近年对2D/3D无机/有机异质结进行了系统的研究,包括MoS2/Rubrene PN异质结(Advanced Functional Materials, DOI: 10.1002/adfm.201502316),2D/Organic Perovskite异质结(Advanced Materials, DOI: 10.1002/adma.201503367)。在这些工作的基础上,进一步设计出基于二维材料(黑磷,black phosphorus)和三维过渡金属氧化物(钛酸锶, SrTiO3)的2D/3D无机/无机异质结,实现了优越的光电性能。

黑磷是目前备受关注的二维材料之一。黑磷具有载流子迁移率高,光学电学各项异性等特性。其光学带隙受层数影响,在可见-紫外范围内调节,有利于实现宽带光电探测器件。钙钛矿结构的钛酸锶是广泛应用于氧化物薄膜生长的衬底材料,基于钛酸锶的氧化物异质结也是氧化物研究领域的热点,比如在铝酸镧和钛酸锶界面金属性、超导以及铁磁性等等。通过与钛酸锶联姻,二维黑磷的光电响应度得到了极大的提高,比之前报道提高了五个量级。同时黑磷-钛酸锶异质结表现出了良好的持久光电导现象,在低温50K时观测不到明显弛豫现象。并且这种架构可以通过不同的波长实现开关效应:当紫外光照射时,异质结电导显著下降;而在红光照射下,电导开始增加,最终恢复到紫外光照之前的水平。光电导的开光比可以达到105量级。最后作者利用基于黑磷-钛酸锶界面的光生载流子输运模型对这一实验结果现象进行很好的解释。

黑磷-钛酸锶异质结不仅可以用于开发高性能光电探测以及信息存储器件,也为二维材料与过渡金属氧化物结合的研究打开了新思路。相关文章发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201602280)上。

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