最近，中科院半導(dǎo)體所半導(dǎo)體超晶格國家重點實驗室李京波研究員、魏鐘鳴研究員和李樹深院士的科研團隊，在新型二維半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)及其光電器件的基礎(chǔ)研究中取得系列重要進展。
二維原子晶體，包括石墨烯和過渡金屬硫族化物（TMDs）例如MoS2、WS2和WSe2等已經(jīng)被證明具有獨特優(yōu)良的光電性能，因此獲得了研究者的廣泛關(guān)注。最近兩年，研究人員發(fā)現(xiàn)由不同原子晶體組裝而成的范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)也可以構(gòu)成新的材料體系，它們結(jié)合了單獨材料組分的優(yōu)點，并為新奇物理現(xiàn)象和器件功能的研究提供了靈活而廣闊的平臺。其中，基于二維TMDs
(MX2)的異質(zhì)結(jié)由于具有較寬范圍的光學(xué)帶隙和強烈的光-物質(zhì)相互作用，在未來光電子器件領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。理論上，MX2異質(zhì)結(jié)往往具有II型帶階排列，這會促進電子空穴對的有效分離。實驗上，原子層厚的MX2異質(zhì)結(jié)也可以表現(xiàn)出超快電荷轉(zhuǎn)移和可調(diào)控的層間耦合作用。
在這樣的研究背景下，該研究團隊與美國再生能源國家實驗室魏蘇淮小組合作，發(fā)現(xiàn)基于WSe2/WS2 的二維半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)表現(xiàn)出獨特的極性可調(diào)現(xiàn)象和自驅(qū)動光開關(guān)特性，該工作主要由博士生霍能杰完成。他們采用轉(zhuǎn)移的方法制備了由P型WSe2和N型WS2 薄層結(jié)構(gòu)組成的范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)，并詳細研究了它們的光學(xué)和電輸運性能，如圖1所示。 
圖1.
WSe2/WS2異質(zhì)結(jié)在不同偏壓下極性可調(diào)的轉(zhuǎn)移曲線，器件圖和光開關(guān)特性曲線。
他們在WSe2/WS2 P-N異質(zhì)結(jié)晶體管中觀察到了明顯的整流效應(yīng)和雙極性行為，整流比達到100，電子和空穴的場效應(yīng)開關(guān)比均高達1000。由于異質(zhì)結(jié)系統(tǒng)中表面和界面處的電荷陷阱，它還表現(xiàn)出了具有較大記憶窗口（柵壓在正向掃描和反向掃描所產(chǎn)生的最大電壓偏移）的遲滯現(xiàn)象。有意思的是，這種異質(zhì)結(jié)能夠在外加偏壓的調(diào)制下而發(fā)生極性行為的轉(zhuǎn)化，從N型或P型到雙極型或反-雙極型。這是因為異質(zhì)結(jié)中的結(jié)效應(yīng)、P溝道WSe2和N溝道WS2依次交替的控制著整個系統(tǒng)的電輸運性質(zhì)。同時由于內(nèi)建勢和II型帶階的存在，該異質(zhì)結(jié)還展現(xiàn)出了良好的光伏特性和大幅度提高的自驅(qū)動光開關(guān)特性。在零偏壓下，光電流依然能夠在入射光源的開關(guān)下而重復(fù)的產(chǎn)生，響應(yīng)時間小于20
ms，光開關(guān)比可達400，展現(xiàn)出高效的電子空穴分離和高質(zhì)量的自驅(qū)動光開關(guān)性能。這些新奇的物理現(xiàn)象和器件功能表明WSe2/WS2 等二維異質(zhì)結(jié)在未來的納米電子器件和光電子器件，包括場效應(yīng)管、探測器、光開關(guān)、關(guān)電池和存儲器等領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用價值。相關(guān)論文近期在線發(fā)表在Wiley出版集團的《Small》雜志上，論文發(fā)表以后被Wiley旗下的Materials
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China網(wǎng)站進行了題為“極性可調(diào)的新型二維半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)”的熱點報道。
該研究團隊還采用氧化還原石墨烯（rGO）薄膜，與MoS2薄層一起構(gòu)筑了范德華爾斯異質(zhì)結(jié)，并進行了光電器件的系統(tǒng)研究，該工作主要由博士生楊玨晗完成。相比較而言，文獻報道的很多石墨烯/BN、石墨烯/MX2異質(zhì)結(jié)的制備與器件測試，較高的輸運性質(zhì)往往只能在單層結(jié)構(gòu)下獲得，而且制備方法較為復(fù)雜。該研究團隊在前期工作的基礎(chǔ)上，在異質(zhì)結(jié)體系中成功引入了采用一種簡單溶液法制備的rGO薄膜（5到10nm厚），將其與MoS2薄層組合時，可以獲得典型的雙極性輸運和超高的柵極可控光響應(yīng)。
拉曼和光致發(fā)光的測試表明，MoS2/rGO異質(zhì)結(jié)可以發(fā)生較強的界面耦合作用，形成能帶彎曲?；谠揗oS2/rGO薄層異質(zhì)結(jié)的場效應(yīng)晶體管，界面處明顯的肖特基勢壘能被柵壓有效調(diào)控，因此在不同柵壓和源漏電壓下可以觀測到MoS2導(dǎo)帶或者價帶參與的載流子輸運，而獲得典型的雙極性輸運性質(zhì)。由于界面處內(nèi)建勢壘對光激發(fā)電子-空穴對的有效分離，該MoS2/rGO薄層異質(zhì)結(jié)還展示出很高的光響應(yīng)率（2.4×104 A/W）與光增益（4.7×104），并且光響應(yīng)也顯示出明顯的柵極調(diào)控性質(zhì)（如圖2所示）。所獲得的光響應(yīng)實驗數(shù)據(jù)比文獻報道的單層（薄層）純MoS2的最高值還高出一到兩個數(shù)量級。相關(guān)結(jié)果近期在線發(fā)表在Wiley出版集團的《Advanced
Electronic
Materials》雜志上。該工作顯示出MoS2/rGO薄層異質(zhì)結(jié)在多功能光電器件中的潛在應(yīng)用，并且有效拓展了新型異質(zhì)結(jié)的制備方法。
圖2.
MoS2/rGO薄層異質(zhì)結(jié)的柵極可控光響應(yīng)和器件結(jié)構(gòu)示意圖
該系列工作得到了國家自然科學(xué)基金委員會、中國科學(xué)院和國家外國專家局的支持。相關(guān)論文的鏈接：
http://onlinelibrary.wiley.com/wol1/doi/10.1002/smll.201501206/full
http://www.materialsviewschina.com/2015/09/adjustable-polarity-of-novel-two-dimensional-semiconductor-heterostructures/
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aelm.201500267/abstract
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