中國粉體網(wǎng)訊 “你是光，你是電，你是唯一的神話。”正如歌詞所唱，光電材料與器件對現(xiàn)代社會的滲透已經(jīng)無孔不入。上天入地，包括窺探遙遠(yuǎn)星系，地球測繪，能源轉(zhuǎn)換存儲，監(jiān)控心率，全息存儲等等，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)勢互補(bǔ)，互惠互利，以此獲得新型功能和現(xiàn)象。從另外一個角度看，每種二維材料可以“獨(dú)立成章”（free standing），將二維材料裝訂一起，便可以講述一個動人的故事。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，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)道提高了五個量級。同時黑磷-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時觀測不到明顯弛豫現(xiàn)象。并且這種架構(gòu)可以通過不同的波長實(shí)現(xiàn)開關(guān)效應(yīng)：當(dāng)紫外光照射時，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。
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)高性能光電探測以及信息存儲器件，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。
