科学家探索用于光电子的2D半导体

将2D钙钛矿与光学活性过渡金属二卤化物连接可以改善光电器件性能

由澳大利亚莫纳什大学科学家领导的新研究着眼于通过将2D钙钛矿与光学活性过渡金属二卤化物（TMD）连接来提高光电器件性能和扩展其功能的方法。

2D钙钛矿和TMD在结构上不同，但是，由于堆叠层之间的范德华相互作用，它们可以形成干净的界面。通过精确的第一性原理计算，作者证明了在2D钙钛矿/TMD异质结构中新的界面（能带对准）和传输特性是可行的，可以根据成分的适当选择进行广泛调整。

为了准确理解界面特性，作者创建了界面的晶格匹配结构，并使用超级计算工具通过高度内存密集的计算探索了界面的特性。

在特定系统中，预测的具有NIR/可见带隙的II型对准可以在相对较低的能量下增强光学吸收。此外，相当大的能带偏移和具有较低分解能的层间激子的可能性可以导致两种材料上的激发载流子更容易的层间分离。这些使得实现更高的光电流和改进的太阳能电池效率成为可能。研究人员还预测了I型系统用于基于复合的器件（如发光二极管）和III型系统实现隧道传输的可能性。此外，它们在这种2D钙钛矿/TMD异质结构中也表现出显著的应变容限，这是柔性传感器的先决条件。

“总的来说，这些发现表明，计算引导的异质结构选择可以为特定器件应用提供比固有材料更好的平台，并在下一代多功能器件（如柔性光电传感器或LED）中具有潜力。FLEET CI A/Nikhil Medhekar教授说，他与博士生Abin Varghese和博士后研究员Yuefeng Yin一起领导了这项工作。

为了进一步探索2D异质结构的物理特性，该团队与印度孟买理工学院的Saurabh Lodha领导的实验人员合作，解释了尚未发现的光电子现象的出现。

在关于WSe₂/SnSe₂异质结构的第一项工作中，在照明时，光电流的极性显示出对异质结构界面上的电输运类型（热离子或隧穿）的依赖性。上图显示了如何使用光或通过施加面外电场来控制WSe₂/SnSe₂异质结构上的电荷传输机制，这可以导致正或负光响应（R）。

Monash的研究人员采用了基于密度泛函理论的电场相关能带结构计算，并将这一观察结果归因于界面处能带排列的性质。他们一起表明，从II型到III型的能带排列变化导致光电流的极性从正变为负。

就光电探测器的性能而言，响应度和响应时间是关键指标。在本研究中，在器件原型中实验观察到高负响应度和快速响应时间，这鼓励了用于实际应用的基于2D材料器件的进一步开发。

在另一种包含黑磷和MoS2的异质结构中，实验表明照明波长依赖于光电导的极性。在MoS2的吸收边缘以上的特定波长处看到的负光电导可以可控地和可逆地调谐到较低波长处的正光电导。负和正光电导之间交叉的阈值波长对薄片厚度具有关键的依赖性。Monash研究人员进行的与厚度相关的能带结构计算清楚地表明，对于特定厚度，载流子的复合可能增加，这可能导致负光电导，从而有助于得出结论。

这些研究证明了控制光电探测器传感机制的新方法，但尚未对此进行详细研究。

参考文献

'Near‐Infrared and Visible‐Range Optoelectronics in 2D Hybrid Perovskite/Transition Metal Dichalcogenide Heterostructures'; Advanced Materials Interfaces (2022)

'Polarity-Tunable Photocurrent through Band Alignment Engineering in a High-Speed WSe2/SnSe2 Diode with Large Negative Responsivity' ; ACS Nano (2022)

'Wavelength-Controlled Photocurrent Polarity Switching in BP-MoS Heterostructure'; Advanced Functional Materials (2022)

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