过渡金属二硫族化合物异质结界面特性与光电性质的理论研究

Van der Waals heterostructures formed by vertical stacking of different two-dimensional (2D) crystals, have emerged as a new class of artificial materials, where the quantum coupling between stacked 2D atomic layers results in many unusual properties. Recently, semiconducting van der Waals heterostructures composed of transition metal dichalcogenides (TMDs: MoS2, WS2, MoSe2, WSe2), such as MoS2/WS2, MoS2/MoSe2, in particular have attracted considerable attention owing to their promising optoelectronic applications. In this project, using first-principles calculations combined with the effective physical models, we will systematically investigate the interfacial properties, electronic structures and energy level alignments of the semiconducting TMD/TMD heterostructures. The coupling of interlayer electronic states will be clarified, and the effects of the intrinsic doping of TMD layers on the electronic structures and energy level alignments of the TMD/TMD heterostructures will also be revealed. We hope to give a deep understanding of the optoeletronic progress, i.e., charge generation, separation and recombination, which take place at the interfaces of heterostructures. Finally, we will propose effective intercalations of atoms or molecules at the interfaces, to control the interfacial electronic structures and energy level alignments of heterostructures and then to optimize their optoelectronic properties.

范德瓦耳斯异质结是由不同二维材料堆积形成的一类新型人造材料，不同二维原子层之间的耦合效应赋予了其很多新奇的物理性质。最近，由不同二维过渡金属二硫族化合物（TMD，如MoS2, WS2, MoSe2, WSe2等）组成的范德瓦耳斯半导体异质结（TMD/TMD，如MoS2/WS2, MoS2/MoSe2等）因其在光电领域的重要应用前景吸引了广泛关注。利用第一性原理计算，结合凝聚态物理模型分析，本项目将对这类过渡金属二硫族化合物异质结的界面特性、电子结构和能级匹配展开系统的研究，力图揭示界面电子态的耦合效应，阐释TMD层的本征掺杂对异质结电子结构和能级匹配的影响规律及其微观作用机制，以期深入理解界面处电荷的产生、分离、复合等光电物理过程。在此基础上，本项目拟提出有效的界面调控机制，通过合适的界面原子或分子插层，实现对异质结电子结构和能级匹配有目的性地调控，从而优化其光电性质。

近年来，二维材料的蓬勃发展激发了另外一个研究领域的兴起：范德瓦耳斯异质结。它是一类由不同二维材料堆积形成的新型异质结，不同二维材料之间的耦合效应赋予其丰富有趣的物理性质，在电子学、光电子学等领域展现出了巨大的应用前景。围绕范德瓦耳斯异质结的一个关键物理问题是认识和理解其界面特性，因为界面特性直接决定了异质结光电和电子器件的性能。本项目围绕基于二维过渡金属二硫族化合物（TMD）的范德瓦耳斯异质结，采用第一原理计算结合理论模型，系统地研究了其界面特性、电子结构和能级匹配，主要研究结果包括：1）揭示了界面偶极矩是决定TMD基范德瓦耳斯异质结能级匹配的一个不可忽略的重要因素。范德瓦耳斯相互作用诱发界面电荷重新分布，导致了界面偶极矩并伴随界面势能台阶的出现。通过调控界面层间距、层与层的堆积方式、施加垂直界面方向的外电场，都可以调控界面偶极矩和势能台阶的大小，从而有效地调节界面能级匹配。2）阐述了在过渡金属二硫族化合物范德瓦尔斯异质结中，界面电子态的耦合有可能诱发界面带隙态的出现，从而钉扎费米能级，导致大的肖特基势垒。因此，为了实现界面的欧姆接触，界面电子态耦合需要适度或较弱，以抑制界面带隙态的形成。3）发现界面原子插层、掺杂可调控TMD基异质结的界面电子态耦合和电荷转移，从而调节其能带结构和晶格稳定性；4）揭示了TMD基范德瓦耳斯异质结中新奇的量子特性，比如量子自旋霍尔效应、超导等，发现低接触电阻的界面欧姆接触可以大大改善MoS2基范德瓦耳斯异质结的析氢催化活性，拓展了TMD基异质结在低功耗电子器件和能源催化领域中的应用。该项目已在Nano Letters、Physical Review B、Nanoscale等著名期刊上发表SCI论文10篇，项目负责人受邀国际学术会议邀请报告1次，国内会议邀请报告2次，项目研究结果受到了同行的广泛关注。