近日，材料领域国际顶级学术期刊《Advanced Science》（影响因子12.44）在线发表了我院潘安练教授团队题为“Direct Vapor Growth of Two-Dimensional Vertical Heterostructures with Tunable Band Alignments and Interfacial Charge Transfer Behaviors”的最新研究成果，该研究通过二维原子晶体异质界面能带排布方式的可控转变，成功实现了层间电荷转移行为的调控。
二维原子晶体材料，特别是二维过渡金属硫化物，由于其兼具半导体材料的特殊物理化学性质和纳米结构的奇特物性，以及优良的光子与光电子特性，因而是构建新型纳米电学、光学、光电子学器件的关键材料。在二维原子晶体材料的研究中，设计和制备具有可调节原子结构和光电性质的异质结构材料，是实现其新功能和新应用的重要基础，也是当前二维异质结研究的热点与难点。通过界面能带排布可调二维异质结的可控构筑，可为纳米光电器件的发展提供丰富的材料资源，加速二维半导体器件在多样化、多功能、宽谱响应和可调谐光电器件领域的发展。然而，过渡金属硫化物材料之间形成的异质结，通常其能带排布为二型（type-II），因此其界面的电荷转移行为固定。如何通过调控二维异质节间的能带排布结构来操纵层间电荷转移行为，使其在新型功能器件上得到应用是一个需要突破的难题。
图1. WS2(1-x)Se2x/PbI2 纵向异质结生长示意图(a)及其组分相关的能带结构计算结果(b)。
基于此研究瓶颈，我院潘安练教授领衔的纳米光子材料与器件交叉研究团队利用可控的化学气相沉积技术，结合界面能带设计和生长调控，成功实现了原子层碘化铅（PbI2）在原子单层硒硫化钨合金（WS2(1-x)Se2x）结构表面上的有序外延生长，获得了能带可调的WS2(1-x)Se2x/PbI2垂直双原子层半导体异质结。通过调控底部合金中Se含量的组分，成功实现了异质结构的界面能带排列从type-I型（PbI2/WS2）连续调控到了type-II型（PbI2/WSe2）。其相应的界面电荷转移行为通过稳态、瞬态时空分辨发光光谱得到了表征和验证，即type-I表现为异质结中WS2发光的增强，而type-II表现为异质结中WSe2光致发光的淬灭。该纵向异质结实现的能带排布方式的转变、以及其层间电荷转移行为的调控，对二维半导体材料在光电子特性研究和集成信息器件应用上均具有非常重要的价值。博士研究生郑玮豪为文章的第一作者，王笑教授和潘安练教授为论文的通信作者，我校材料科学与工程学院为文章的第一完成单位。
图2. (a)光致发光增强系数α与激发波长的依赖关系，(b) PbI2/WSe2异质结光致发光光谱， (c) PbI2/WSe2异质结I激子发光寿命谱。
论文详见链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201802204。
