中國(guó)粉體網(wǎng)訊 “你是光,你是電,你是唯一的神話!闭绺柙~所唱,光電材料與器件對(duì)現(xiàn)代社會(huì)的滲透已經(jīng)無孔不入。上天入地,包括窺探遙遠(yuǎn)星系,地球測(cè)繪,能源轉(zhuǎn)換存儲(chǔ),監(jiān)控心率,全息存儲(chǔ)等等,不一而足,無不依賴光電器件。利用新型材料,構(gòu)架異質(zhì)架構(gòu),從來實(shí)現(xiàn)與眾不同的功能,已經(jīng)成為這一領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
近幾年,二維材料比如MoS2等表現(xiàn)出來了良好的光學(xué)和電學(xué)性能,為光電器件的研究打開了新的領(lǐng)域,一方面由于二維材料本為“天賦異稟”,在原子厚度,可以為體塊材料為不為,另外一方面,二維材料本身是個(gè)自由主義者,可以獨(dú)立存在,不同材料可以像積木般堆疊,使得不同材料優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),互惠互利,以此獲得新型功能和現(xiàn)象。從另外一個(gè)角度看,每種二維材料可以“獨(dú)立成章”(free standing),將二維材料裝訂一起,便可以講述一個(gè)動(dòng)人的故事。以這種方法得到的材料,也叫做“異質(zhì)材料”,或者“范德華固體”(van der Waals solids)。已發(fā)現(xiàn)的異質(zhì)材料,包括 MoSe2-WSe2以及異質(zhì)結(jié)中的超長(zhǎng)壽命層間激子, graphene-WS2以及異質(zhì)結(jié)的強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用,等等。隨著二維材料的飛速發(fā)展,全新的二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)如隧穿晶體管(Tunnel field-effect transistor),二極管等也開始涌現(xiàn),在光電器件領(lǐng)域攪動(dòng)風(fēng)云。
也正是由于二維材料的“特立獨(dú)行”,將其與傳統(tǒng)的三維材料如有機(jī)小分子單晶,氧化物材料等相結(jié)合,形成混合維度范德華異質(zhì)結(jié),變得觸手可及。這種異質(zhì)結(jié),雖然在質(zhì)量上,較傳統(tǒng)外延生長(zhǎng)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)相比,可能有所不及,但是在便利性以及靈活性上獨(dú)具優(yōu)勢(shì),因?yàn)椴煌牧祥g的結(jié)合不需要考慮晶格的匹配,直接通過范德華力進(jìn)行結(jié)合。
基于這種思路,新加坡南洋理工大學(xué)劉政團(tuán)隊(duì)近年對(duì)2D/3D無機(jī)/有機(jī)異質(zhì)結(jié)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,包括MoS2/Rubrene PN異質(zhì)結(jié)(Advanced Functional Materials, DOI: 10.1002/adfm.201502316),2D/Organic Perovskite異質(zhì)結(jié)(Advanced Materials, DOI: 10.1002/adma.201503367)。在這些工作的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步設(shè)計(jì)出基于二維材料(黑磷,black phosphorus)和三維過渡金屬氧化物(鈦酸鍶, SrTiO3)的2D/3D無機(jī)/無機(jī)異質(zhì)結(jié),實(shí)現(xiàn)了優(yōu)越的光電性能。
黑磷是目前備受關(guān)注的二維材料之一。黑磷具有載流子遷移率高,光學(xué)電學(xué)各項(xiàng)異性等特性。其光學(xué)帶隙受層數(shù)影響,在可見-紫外范圍內(nèi)調(diào)節(jié),有利于實(shí)現(xiàn)寬帶光電探測(cè)器件。
鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鈦酸鍶是廣泛應(yīng)用于氧化物薄膜生長(zhǎng)的襯底材料,基于鈦酸鍶的氧化物異質(zhì)結(jié)也是氧化物研究領(lǐng)域的熱點(diǎn),比如在鋁酸鑭和鈦酸鍶界面金屬性、超導(dǎo)以及鐵磁性等等。
通過與鈦酸鍶聯(lián)姻,二維黑磷的光電響應(yīng)度得到了極大的提高,比之前報(bào)道提高了五個(gè)量級(jí)。同時(shí)黑磷-鈦酸鍶異質(zhì)結(jié)表現(xiàn)出了良好的持久光電導(dǎo)現(xiàn)象,在低溫50K時(shí)觀測(cè)不到明顯弛豫現(xiàn)象。并且這種架構(gòu)可以通過不同的波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)開關(guān)效應(yīng):當(dāng)紫外光照射時(shí),異質(zhì)結(jié)電導(dǎo)顯著下降;而在紅光照射下,電導(dǎo)開始增加,最終恢復(fù)到紫外光照之前的水平。光電導(dǎo)的開光比可以達(dá)到105量級(jí)。
最后作者利用基于黑磷-鈦酸鍶界面的光生載流子輸運(yùn)模型對(duì)這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果現(xiàn)象進(jìn)行很好的解釋。 黑磷-鈦酸鍶異質(zhì)結(jié)不僅可以用于開發(fā)高性能光電探測(cè)以及信息存儲(chǔ)器件,也為二維材料與過渡金屬氧化物結(jié)合的研究打開了新思路。