【產(chǎn)通社，9月24日訊】東南大學(xué)（Southeast University）官網(wǎng)消息，倪振華教授、呂俊鵬教授課題組和中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所魏鐘鳴研究員課題組合作提出了利用原子取代構(gòu)建漸變能帶結(jié)構(gòu)的新策略，在WSe2/Bi2Te3-xSex范德華異質(zhì)結(jié)（vdWHs）中，實(shí)現(xiàn)了I型到III型的精準(zhǔn)能帶匹配，獲得了高效的異質(zhì)界面電荷轉(zhuǎn)移，構(gòu)筑了高性能光電器件。相關(guān)成果以《二維范德華異質(zhì)結(jié)中組分可調(diào)的I型到III型能帶對(duì)準(zhǔn)工程》“Composition Modulation-Mediated Band Alignment Engineering from Type I to Type III in Two-dimensional vdW Heterostructures”為題發(fā)表在Advanced Materials上。

能帶對(duì)準(zhǔn)工程通過設(shè)計(jì)和構(gòu)建組成材料之間的界面，創(chuàng)建高效的異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面，從而促進(jìn)電子傳輸，提高光電子器件的效率，并優(yōu)化材料之間的電子結(jié)構(gòu)和能級(jí)對(duì)齊。2D vdWHs因其獨(dú)特的原子尺度結(jié)構(gòu)和量子限域效應(yīng)，在精確控制和操縱界面帶對(duì)準(zhǔn)方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，使其成為提升器件性能的潛在候選材料。已有的研究表明通過引入外部機(jī)械場、化學(xué)場等方法可以調(diào)節(jié)2D vdWHs的能帶匹配，但這些方法存在晶格畸變和材料不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，限制了其實(shí)際應(yīng)用的可行性。原子取代是一種有效構(gòu)建具有特定能帶結(jié)構(gòu)的2D vdWHs的方法，能夠調(diào)整電子特性、優(yōu)化界面能帶排列。然而，目前關(guān)于能帶匹配的研究主要集中在單一或雙重能帶排列類型上，其調(diào)制范圍有限，實(shí)現(xiàn)從I型到III型的能帶對(duì)準(zhǔn)工程仍然具有挑戰(zhàn)性。

本研究利用原子取代構(gòu)建漸變能帶結(jié)構(gòu)的新策略，成功制備了單層WSe2和五層Bi2Te3-xSex（0≤ x≤3）范德華異質(zhì)結(jié)，并實(shí)現(xiàn)了從Type I到Type III的能帶匹配的精準(zhǔn)調(diào)控。通過紫外光電子能譜（UPS）和開爾文探針力顯微鏡（KPFM）的實(shí)驗(yàn)手段及密度泛函理論（DFT）分析，驗(yàn)證了能帶匹配調(diào)控對(duì)光電探測器和發(fā)光二極管（LED）性能的顯著影響。研究結(jié)果顯示，隨著帶隙匹配從Type I調(diào)制到Type III，光電探測器的最高響應(yīng)度達(dá)到58.12A/W，探測率為2.91×1012Jones，光響應(yīng)時(shí)間縮短至3.2μs。此外，得益于獨(dú)特的能帶排列所引起的界面電荷注入特性，基于Type III異質(zhì)結(jié)的LED在室溫下表現(xiàn)出最高的亮度和電致發(fā)光外量子效率（EQE）約為0.20%。本研究為能帶結(jié)構(gòu)調(diào)控應(yīng)用于設(shè)計(jì)制備新型光電器件提供了新的思路。

東南大學(xué)物理學(xué)院博士生郭丁立、傅強(qiáng)、張貴濤為本文的共同第一作者。東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院、物理學(xué)院倪振華教授、呂俊鵬教授，東南大學(xué)物理學(xué)院趙蓓副教授以及中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所魏鐘鳴研究員為本文的共同通訊作者。東南大學(xué)物理學(xué)院陳乾教授帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行了相關(guān)理論的模擬。該工作受到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。

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