液态金属辅助制备Ga2In4S9、ZnS二维原子晶体及其紫外光探性能的研究

Ultraviolet sensitive materials that process excellent flexibility and integrate easily with modern micro-/nano-techniques offer a potential platform for information, energy and environment, being one fundamental industry of the national economy. Ultrathin two-dimensional (2D) nanomaterials, a conceptually new class of materials with atomic thickness, have open novel opportunities and triggered worldwide interests in electronic, optoelectronic and electrochemical devices. However, so far, 2D ultraviolet sensitive materials have not demonstrated. This project takes liquid metal assisted vapor deposition accompanied with the inhibition of crystal surface by elements, to realize the controllable preparation of layered structure (Ga2In4S9) and non-layered (ZnS) ultraviolet response two-dimensional atomic crystals. The low melting point of liquid metal also provides a possibility to develop a low-temperature growth process compatible with flexible substrates, thus design high-performance flexible ultraviolet photoelectric detectors. In addition, the influence of the type and dosage of the elements on the morphology, crystal quality and physicochemical properties of the final product will be explored. The correlation between bending torsion strain and the coupling behavior of photon-electron should be established. The mechanism of material structure and device performance decline (enhanced), the instability damage characteristics and the critical condition of failure will be discussed, and a reliable evaluation of these flexible ultraviolet photodetectors should be proposed. These achievements will be significant for rational design and development of new and efficient two-dimensional optoelectronic materials and devices in the future.

既具备弯曲韧性又能适用现代微纳集成工艺的高灵敏紫外响应材料在信息、能源、环境等高新技术领域具有广泛的应用空间，已成为国民经济的基础性、战略性产业之一。本项目以气相沉积为主要合成途径，采用液态金属源辅以元素抑制晶面生长调控手段，实现层状结构（Ga2In4S9）和非层状结构（ZnS）紫外响应二维原子晶体的可控制备，发展与柔性衬底相兼容的低温生长制备工艺，设计和构筑高性能柔性紫外光电探测器；揭示液态合金中金属元素比例、抑制元素的种类及剂量等对最终产物形貌、晶体质量及物化性能的影响规律，考察弯曲（扭折）应变对光子-电子耦合行为的影响，阐明材料结构和器件性能衰退（增强）的机理、失稳损伤特征及失效的临界条件，提出系统规范的（柔性）紫外光电探测器可靠性评价方法，为未来理性设计和开发新型高效二维光电材料和器件奠定基础。

二维（2D）材料展现了独特的几何结构和新颖的物化特性，在信息、能源、环境等高新技术领域具有广泛的应用，已成为世界各国政府、产业界和学术界高度关注的前沿基础研究课题。基于上述研究背景，本项目通过材料生长“微环境”控制策略，实现了Ga2In4S9、Cs3Cu2I5等三元化合物二维单晶的可控制备，借助界面设计、元素掺杂，提升MoS2等二维材料的光电响应性能，利用原位表征技术揭示应变对低维材料光子/电子的耦合、调制机制，指导可穿戴功能器件设计与应用。在本课题资助下，本研究团队共发表SCI论文15篇（均标注本项目资助，其中影响因子大于10的4篇，应邀撰写综述2篇），获得授权中国专利7项，参加国际国内学术会议邀请/口头报告6人次，项目负责人赴日本东京大学访问交流1年，培养硕士研究生18名（3名已获得硕士研究生学位）。主要成果如下：(a)采用以镓-铟液态合金作为金属源实现了Ga2In4S9层状结构二维原子晶体的可控制备，为设计新颖的二维紫外光电子器件提供了物质支撑；(b)以In元素成功抑制了CdS(001)晶面的堆叠生长，获得了CdS非层状结构的二维原子晶体；(c) 利用原位表征技术揭示了应变与材料中光子、电子的耦合、调制机制，指导材料应用；(d)并利用力电耦合效应，构筑了多种可穿戴机电传感器，实现了对人体生理活动的有效监测；(e)通过掺杂元素、构筑I型、II型异质界面，提升了二维材料的光电性能，为开发低成本且性能优越的二维光电器件提供了技术方案；(f)在云母衬底上外延生长了2D全无机钙钛矿结构的Cs3Cu2I5单晶，提出了一种快速且无蚀刻的干法转移方法构筑基于单个Cs3Cu2I5纳米片的紫外(UV)光探测器，为基于无铅二维钙钛矿的绿色光电器件的制造提供了可能，这对于光电技术的绿色、可持续发展至关重要。