基于二維材料的壓電光電子學(xué)器件綜述

二維（2D）材料由于原子級(jí)超薄、可調(diào)帶隙和優(yōu)異的光電性質(zhì)，在柔性光電子學(xué)領(lǐng)域有著巨大的潛力。利用應(yīng)變誘導(dǎo)的壓電勢(shì)或壓電極化電荷可以調(diào)控二維材料界面載流子的傳輸和光電過(guò)程，這種將壓電、半導(dǎo)體特性、光激發(fā)三者耦合產(chǎn)生的壓電光電子學(xué)效應(yīng)推動(dòng)了新型二維材料光電器件的開發(fā)，特別是壓電光電子學(xué)增強(qiáng)的光電探測(cè)、光電化學(xué)、氣體傳感和太陽(yáng)能電池等方向。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，針對(duì)近年來(lái)二維材料在壓電光電子學(xué)領(lǐng)域取得的研究進(jìn)展，中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士、翟俊宜研究員等人進(jìn)行了綜述分析，在《中國(guó)科學(xué)》期刊發(fā)表了題為“基于二維材料的壓電光電子學(xué)器件”的綜述文章，重點(diǎn)介紹了壓電光電子學(xué)的基本原理以及壓電光電子學(xué)效應(yīng)調(diào)制的基于二維材料光電探測(cè)器、光電催化、氣體傳感器、太陽(yáng)能電池的最新研究進(jìn)展，并對(duì)這一新興領(lǐng)域未來(lái)的挑戰(zhàn)和科學(xué)突破進(jìn)行了展望。

基于二維材料的壓電光電子學(xué)器件的原理是以應(yīng)變誘導(dǎo)的電荷作為“門”電壓調(diào)控二維壓電半導(dǎo)體局部界面的載流子濃度和分布或者能帶結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械信號(hào)可調(diào)的光電性能，這為主動(dòng)式柔性光電子學(xué)的實(shí)現(xiàn)開拓了新的道路。

壓電光電子學(xué)效應(yīng)

壓電光電子學(xué)效應(yīng)的調(diào)控機(jī)理

隨著材料合成在分子水平取得重要發(fā)展，二維材料中的壓電性越來(lái)越受到關(guān)注。六方二維半導(dǎo)體材料例如TMDCs (MX2, M=Mo, W; X=S, Se, Te)，由于非中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)具有本征壓電性，是低維壓電材料的理想候選者。此外，金屬和半導(dǎo)體之間形成肖特基接觸的器件是壓電光電子學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。當(dāng)金屬和半導(dǎo)體接觸時(shí)，在結(jié)區(qū)發(fā)生了電荷的重新分配，兩邊費(fèi)米能級(jí)對(duì)齊達(dá)到熱平衡狀態(tài)，并在金屬-半導(dǎo)體（M-S）界面形成肖特基勢(shì)壘。對(duì)于具有良好壓電性的半導(dǎo)體，半導(dǎo)體一側(cè)附近的壓電電荷可以有效地調(diào)制肖特基勢(shì)壘高度（SBH），從而調(diào)節(jié)器件的電學(xué)輸運(yùn)特性。與應(yīng)變誘導(dǎo)的壓電電荷改變M-S接觸界面的SBH機(jī)理類似，p-n結(jié)處的能帶也可以由壓電電荷來(lái)調(diào)制，因此p-n結(jié)也是壓電光電子學(xué)中的常用結(jié)構(gòu)之一。

金屬-半導(dǎo)體肖特基接觸界面和p-n結(jié)界面的壓電光電子學(xué)效應(yīng)

基于二維材料的壓電光電子學(xué)研究進(jìn)展

光電探測(cè)器是通過(guò)將吸收的光子能量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)來(lái)測(cè)量光子通量或光功率的器件。對(duì)于肖特基或p-n結(jié)型光電探測(cè)器，界面處能帶結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)調(diào)控決定了器件的光電性能。近年來(lái)，二維層狀半導(dǎo)體由于帶隙可調(diào)、高遷移率和優(yōu)越的機(jī)械性能，廣泛應(yīng)用于光電子、柔性器件等領(lǐng)域。傳統(tǒng)基于二維材料的界面調(diào)控通常通過(guò)硬質(zhì)襯底上施加靜電偏壓實(shí)現(xiàn)。然而，當(dāng)制備柔性光電器件時(shí)，復(fù)雜制造工藝（如制備高質(zhì)量的柵介質(zhì)層）的引入和界面態(tài)的存在可能會(huì)降低電學(xué)性能。由于許多單原子層的二維材料具有本征壓電性，因此壓電光電子學(xué)效應(yīng)可以作為界面調(diào)控的新型方法。

壓電光電子學(xué)效應(yīng)調(diào)制的光電探測(cè)器

利用光催化或光電催化裂解水制氫和降解有機(jī)污染物被認(rèn)為是當(dāng)前能源可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境整治最有前景的方法。催化過(guò)程中光生載流子在半導(dǎo)體表面的復(fù)合和捕獲是抑制光催化性能的重要因素。施加應(yīng)變和光照時(shí)，應(yīng)變誘導(dǎo)的內(nèi)建電場(chǎng)和催化劑的能帶彎曲可以持續(xù)促進(jìn)載流子的分離。同時(shí)對(duì)光催化劑界面能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)制同樣可以影響載流子的傳輸，最終影響光催化性能。二維少層MoS2同時(shí)具有壓電性和半導(dǎo)體特性，當(dāng)打破其層間作用力暴露出更多的邊緣活性位點(diǎn)時(shí)可以提高催化性能，因此可以作為一種壓電輔助催化劑。

壓電光電子學(xué)效應(yīng)調(diào)制的光電化學(xué)反應(yīng)

未來(lái)的電子傳感系統(tǒng)需要高比表面積和超高靈敏度的氣體傳感器，而以往的傳感器均受限于較低的靈敏度、高成本和復(fù)雜的制造工藝。壓電光電子學(xué)效應(yīng)增強(qiáng)的NO2傳感器在未來(lái)小型化、便攜式和超靈敏氣體傳感系統(tǒng)中表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

此外，太陽(yáng)能電池是一種通過(guò)光伏效應(yīng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的器件，利用p-n結(jié)或者M(jìn)-S接觸的內(nèi)建電場(chǎng)來(lái)對(duì)入射光誘導(dǎo)的電子-空穴對(duì)進(jìn)行分離。目前壓電光電子學(xué)效應(yīng)增強(qiáng)太陽(yáng)能電池多采用基于第三代半導(dǎo)體量子點(diǎn)、納米線和薄膜的材料體系。二維材料具有獨(dú)特的光電特性，但目前基于二維材料的壓電光電子學(xué)效應(yīng)調(diào)制太陽(yáng)能電池還處在理論模型階段。

壓電光電子學(xué)效應(yīng)調(diào)制的氣體傳感器和太陽(yáng)能電池

研究展望

二維材料的超薄層狀結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理、化學(xué)性質(zhì)為研究壓電光電子學(xué)提供了理想的平臺(tái)。目前已經(jīng)證明了壓電光電子學(xué)效應(yīng)在基于二維材料的各種應(yīng)用中的潛力，包括自供電系統(tǒng)、人機(jī)接口、光電傳感、能量收集和環(huán)境檢測(cè)等。

盡管這一新興領(lǐng)域取得了巨大的進(jìn)展，但要全面了解并充分發(fā)展壓電光電子學(xué)，仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。（1）需要繼續(xù)探索二維材料的壓電性。（2）二維壓電光電子器件的穩(wěn)定性和可靠性需要重視。（3）將二維材料的壓電性與其他有趣的性質(zhì)，如熱電性、鐵磁性、超導(dǎo)或自旋電子學(xué)有機(jī)結(jié)合，以促進(jìn)產(chǎn)生新的技術(shù)應(yīng)用或新物理學(xué)的科學(xué)突破。（4）需要更可行的表征方法來(lái)直接探測(cè)界面動(dòng)力學(xué)和記錄應(yīng)變時(shí)壓電極化電荷的動(dòng)態(tài)分布。（5）需要計(jì)算并確認(rèn)壓電電荷在不同缺陷中影響電子和空穴的定量關(guān)系。（6）二維材料的生長(zhǎng)工藝需要進(jìn)一步發(fā)展。這些研究對(duì)于合理設(shè)計(jì)、優(yōu)化壓電光電子學(xué)器件、推動(dòng)器件實(shí)用化進(jìn)程和進(jìn)一步發(fā)展學(xué)科體系至關(guān)重要。

審核編輯：劉清