二维过渡金属硫属化合物（TMDs）由于在光学、电学、光电子、磁学、催化等领域所表现出的优越性能，近年来受到了广泛的关注。北京航空航天大学物理学院的张俊英教授（点击查看介绍）、王钰言助理教授（点击查看介绍）团队近年来系统地研究了TMDs的生长、发光、电催化和光电性能，取得一系列进展。
该团队首选从材料制备出发，设计了普适、环保的半封闭式化学气相沉积法（CVD），实现了多种二维TMDs材料的高效制备。半封闭式CVD法采用内外石英管嵌套的方式，将前驱物和基底放置在内管中，利用单温区调控，通过控制温度、前驱物种类和前驱物位置实现不同二维TMDs的可控制备，目前成功制备出单层/少层WS2、MoS2、WSe2和VSe2等。该制备方法所需前驱物的量极少且在反应过程中被充分利用，因此几乎不对装置和环境产生污染，石英管可重复利用数百次；生长条件要求低、操作简易、制备成功率高，并可通过参数调制实现形貌可控（2D Materials, 2019, 6, 015007）。
图1. 半封闭式CVD法制备的各种单层/少层TMDs
在丰富的材料基础上，该团队对二维TMDs材料进行了系统的物理化学性质研究和应用探索。研究发现利用双管法制备的单层MoS2的电催化产氢性能显示出形貌依赖的特点，六边形MoS2面内丰富的硫空位作为电催化析氢的活性位点，极大地提升了电催化产氢的效率。100 mA/cm2的电流密度时，对应可逆氢电位仅为-353 mV，塔菲尔斜率为53 mV/cm2，交换电流密度高达0.091 mA/cm2，同时具有极高的循环稳定性（Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7, 27603-27611）。
图2. 单层MoS2的电催化性能
该团队最新的研究成果是原位构建了基于TMDs的光电探测器。二维TMDs器件的优点是低功耗、体积小、带隙可调，在光电子领域具有较好的应用价值。运用范德瓦尔斯力使独立的p型和n型材料纵向堆叠是一种典型的p-n结构造方法，但制备过程复杂且很难避免界面缺陷。因此，在同一导电通道内实现独立的p型和n型工作区域，从而构造横向均质p-n结亟待研究突破。研究团队发展了一种工艺简单、掺杂量可控的电子掺杂方式，成功构造了具有优异光电性能的横向均质p-n结。
首先，该团队利用密度泛函理论预测了十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）表面改性对少层TMDs晶体和电子结构的影响，发现CTAB可以向TMDs注入电子。通过对少层WSe2和WS2背栅器件的输运性能的研究，进一步阐明了CTAB对TMDs器件电子结构高效调控的物理机制：CTAB使得金属/半导体界面处空间电荷区厚度减小、肖特基势垒高度降低，热发射和隧穿机制协同工作使电子更有效地迁移至二维半导体表面。通过调整CTAB浸泡时间，可以精确地控制电子(空穴)迁移率、电流和阈值电压等。
图3. WSe2 p-n结光电响应性能
利用CTAB对WSe2沟道材料进行局部电子掺杂，制备了整流比高达103的p-n结光电探测器。与本征光电探测器相比，p-n结的光开关比具有1000倍的增幅，响应速度也得到了3倍的提升。该光电探测器响应度为30 A W-1，外部量子效率高达7989%，比探测度优于1011 Jones，在高灵敏度、低功耗光电探测器领域有较好的应用前景。研究者相信，本工作中对二维材料进行原位化学改性的方法，可以推广到其他新一代高效率光电子器件中。相关成果发表在Advanced Materials 上，并被选为当期Frontispiece。
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Lateral 2D WSe2 p-n Homojunction Formed by Efficient Charge-Carrier-Type Modulation for High-Performance Optoelectronics
Jiacheng Sun, Yuyan Wang, Shaoqiang Guo, Bensong Wan, Lianqing Dong, Youdi Gu, Cheng Song, Caofeng Pan, Qinghua Zhang, Lin Gu, Feng Pan, Junying Zhang
Adv. Mater., 2020, 32, 1906499, DOI: 10.1002/adma.201906499
导师介绍
张俊英
https://www.x-mol.com/university/faculty/50078
王钰言
https://www.x-mol.com/university/faculty/71875
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