基于原子级厚度碘化铅晶体的界面能带工程

开发新的二维半导体材料,灵活运用能带工程,对实现高效稳定的微纳光电器件具有重大意义。那么,有没有一种二维材料能够通过界面能带工程,对其他二维材料的光电性质起到不同的调控作用呢?近日,南京工业大学的王琳团队通用溶液法制备的高质量碘化铅与过渡金属硫化物(TMDs)结合,构建出了不同类型的异质结,从而使不同TMD材料出现迥异的发光性能变化。

近年来,二维材料种类日渐丰富,构筑范德华异质结的技术也日益成熟,为研发基于二维材料的功能化微纳器件奠定基础。然而很多二维材料为半金属(如石墨烯)和绝缘体(如氮化硼),而大部分单元素二维半导体如硅烯、锗烯等几乎不能从块体材料中获得,从而限制了其在光电器件中的应用。作为二维半导体材料的过渡金属硫化物(TMDs),因具有在可见光附近的光学带隙与易调控光电性能,受到科研工作者的关注。但大量的理论和实验结果证明,TMD/TMD异质结多为Type-II型异质结,功能比较单一。虽然黑磷与TMD材料可以形成不同类型异质结,但黑磷能带较窄,对TMD的都起到发光淬灭的作用。目前,仍然没有一种二维材料能够对TMDs的光电性质有多重调控作用。

(a)干法转移制备MoS2/PbI2的示意图(b)MoS2/PbI2异质结的晶体结构(c)MoS2/PbI2异质结与单层MoS2的拉曼光谱对比;(d、e)MoS2/PbI2异质结的光学图片与对应的光致发光扫描图像,其中白色虚线勾勒了单层MoS2(WSe2)的轮廓,黑色虚线为PbI2纳米片的轮廓,标尺:5 μm

南京工业大学王琳教授课题组开发利用原子级厚度的(PbI2)纳米片克服了上述缺陷。PbI2作为二维层状材料,具有大的原子序数,长期以来都被用于室温下的核辐射探测,但原子级厚度PbI2确很少有人进行研究。研究人员通过溶液法合成了超薄的高质量PbI2,将其与TMDs二维材料结合起来构建异质结。并利用异质结界面间的能级排列,系统的研究了PbI2对不同TMDs材料光学性质的影响。结果显示原本能级结构相似的TMDs材料,在与PbI2构建异质结后,表现出了迥异的光学性质。理论与实验分析证明,MoS2与PbI2之间的能级排列属于跨立型(Type-I)半导体异质结,即PbI2中的激发态能量向MoS2层传递,使MoS2发光增强,而WS2和WSe2分别与PbI2之间形成了错开型(Type-II)半导体异质结,即WS(Se)2中的电子流向PbI2层,电子-空穴对密度减少,引起发光淬灭。这表明超薄PbI2可以通过界面能带工程,与其他二维材料构筑不同类型的异质结,从而可以极大地拓宽了功能型材料的选择范围,促进新型微纳光电器件研发与应用进程。

这一成果近期发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201806562)上,文章的第一作者是南京工业大学博士研究生孙研。