二维材料电致横向PN结及纵向异质结快速转移制备

1 研究成果概述

浙江大学光电科学与工程学院李林军研究员团队，基于现代光伏、光电探测领域的基本元器件PN结/肖特基结的快速制备，发展出了以二维铁电材料CuInP2S6中电压驱动离子迁移的方法快速制备横向PN结，研究成果以“Highly Tunable Lateral Homojunction Formed in Two-Dimensional Layered CuInP2S6 via In-Plane Ionic Migration”为题于2023年1月12日发表于《ACS Nano》期刊。另外，该团队也针对化学气相沉积等方法生长的巨量二维材料，发展出了一种纵向异质结的快速无损制备方法，文章以“ Fast fabrication of WS2/Bi2Se3 heterostructure for high-performance photodetection”为题于2023年2月7日发表于《ACS Applied Materials & Interface》期刊。

2 背景介绍

现代光伏和光电探测等器件依赖于功能化同质或异质结的高质量制备。目前的同质或异质结的制备依赖于化学掺杂、栅极调控等手段，具有不可避免的杂质污染以及制备工艺复杂等缺点。二维材料作为器件微型化研究方面的明星材料，其异质结的快速大量且高质量制备一直以来都是该领域亟待解决的问题。

3 文章亮点

最近，浙大光电学院李林军研究团队通过在二维材料光电器件领域的长期探索，基于不同类别材料特性以及目标器件结构的特性需要，发现或发展了高效快速制备同质结和异质结的方法。该研究团队发现对于具有离子可迁移型二维铁电材料，如CuInP2S6，其Cu离子可在器件偏压下发生横向或纵向迁移，从而使材料本身铁电极化出现空间非均匀性，进一步研究发现，仅通过在材料两端施加一定的偏压，即可在材料中快速形成PN同质结（图1）， 无需额外的化学或电栅极掺杂。

图1. 偏压导致的离子迁移及PN结特性形成。

他们测量了光照下该同质结的光伏特性， 发现该结具有电压可调的光伏极性转换（图2）。该快速制备二维材料PN结的方法可用于基于二维材料的低成本快速消费柔性光电产品的制备。

图2. 铁电极化电压调控同质结光伏极性转换。

该团队还针对化学气相沉积方法可巨量生长的二维薄膜材料的异质结的快速制备问题，发展出了一种高效且高质量的制备方法，创造性地利用水膜浸润转移界面，根据材料或衬底的亲水疏水性不同，改变材料和不同衬底的结合力，从而达到原位快速高质量转移二维材料到目标区域、目标器件。该方法实现了快速、定点、无污染和低材料损耗且高质量的异质结的制备（图3）。

图3. 二维材料异质结的快速高质量制备及肖特基结宽带光电响应。

4 总结与展望

这些研究是该团队在基于低维材料光电器件和应用的研究中的部分成果，针对不同的材料类别以及应用目标提出了高效的PN结/肖特基结的制备方法，为低维材料特别是二维材料的光电器件的实际应用往前推进了一步。

5 论文/作者信息

两项研究成果在线发表于《ACS Nano》期刊【Huanfeng Zhu,* Jialin Li, Qiang Chen, Wei Tang, Xinyi Fan, Fan Li, and Linjun Li*, Highly Tunable Lateral Homojunction Formed in Two-Dimensional Layered CuInP2S6 via In-Plane Ionic Migration, ACS Nano，17，1239 (2023)】和《ACS applied materials and interfaces》期刊【Fan Li, Jialin Li, Junsheng Zheng, Yuanbiao Tong, Huanfeng Zhu, Pan Wang, and Linjun Li*, Fast fabrication of WS2/Bi2Se3 heterostructure for high-performance photodetection, ACS APPL. MATER. INTER. (2023)】。

审核编辑 ：李倩