非层状/层状二维半导体异质结的可控制备、生长机制及光电器件研究

Two-dimensional (2D) semiconductor heterojunctions have attracted great attention in the field of new optoelectronic devices, due to their unique electronic structure. However, the limited types of 2D layered semiconductors and the poor controllability of heterojunction preparation deeply restrict the practical application of devices. In the light of this fact, this project aims to construct the new 2D p-n heterojunctions based on non-layered semiconductor CdTe and layered MoS2. The p-type 2D CdTe with high absorption coefficient and wide absorption band is coupled with n-type MoS2, which is beneficial to enhance light absorption and effectively separate photo-generated carriers. In order to optimize and explore the novel functions of devices，we will focus on the controllable preparation, the growth mechanism and the intrinsic relationship between interface structure and performance of the heterojunction. The high-quality CdTe/MoS2 2D heterojunction will be prepared via a modified chemical vapor deposition system that equipped a three-temperature zone furnace with a two-way gas path and combining a stable raw material supply strategy. Molecular dynamics will be used to simulate the growth behavior of heterojunctions, analyze the thermodynamic mechanisms and establish the growth mode. We are about to analyze the energy band structure and the transport mechanism of carriers via the first principle. In addition, heterojunction-based devices will be assembled to evaluate the optoelectronic performance under varied conditions and reveal the intrinsic physical mechanism. This project will provide a novel material platform for exploring new physical properties and novel device functions.

二维半导体异质结因其独特的电子结构，成为了目前新型光电器件领域的研究热点。然而，由于层状半导体种类有限、异质结制备可控性较差，严重制约了其实际应用。基于此，本项目构建非层状半导体CdTe和层状MoS2的新型二维p-n异质结。利用p型二维CdTe的高吸收系数和宽吸收波段，与n型MoS2耦合，以增强光吸收和高效分离光生载流子。通过研究异质结的可控制备、生长机制、界面结构与性能的内在关系，达到探索并优化器件新功能的目的。拟改进化学气相沉积系统，采用双向气路的三温区管式炉，结合近稳态原料供给策略，制备高质量CdTe/MoS2二维异质结。借助分子动力学模拟异质结的生长行为，分析热动力学机制，并建立生长模型。再结合第一性原理分析异质结的能带结构和载流子输运机制。此外，组装基于异质结的光电器件，测量不同条件下的光电性能，揭示内在物理机制。本项目将为探索二维异质结的新物理性能和器件新功能提供平台。

二维材料因其不同于块材的高载流子迁移率、可调谐电子结构、强量子限域效应等，无疑是当前研究领域的明星材料。为了最大限度地发挥单一材料各自的优势，构建二维异质结是一种行之有效的策略。目前，关于二维异质结的研究多集中于层状材料，而非层状材料还有待进一步开发。基于此，本项目旨在构建非层状/层状新型二维半导体异质结，重点研究其可控制备、生长机制、及界面结构与性能的内在关系。围绕以上目标，开展的主要工作为：（1）搭建了一套三温区、双向气路的化学气相沉积（CVD）系统，设计升温曲线，可协同控制不同原料的蒸发时间和输运方向，该生长策略可推广至其他新型复合材料的制备。（2）通过CVD法制备了非层状二维CdTe。样品的制备效率及单晶尺寸显著提高，这为后续器件组装及性能探究带来了便利。（3）构建了二维CdTe/MoS2半导体异质结。研究发现与分子振动行为相关的Raman特征峰发生了移动。我们总结了可能的原因：首先，两种材料的晶格常数差异会在界面处诱导产生应变场；其次，界面附近的纳米台阶和缺陷易于吸附电负性不同的杂质分子(如O2、H2O) ，从而改变局域介电环境；最后，p型CdTe与n型MoS2之间的载流子输运，会产生掺杂效应。以上现象会协同影响Raman信号。（4）CdTe/MoS2异质结表现出强烈的光致发光（PL）效应，而相应单体的PL峰在异质结区域明显淬灭，这说明两种材料之间发生了有效的电荷转移。我们利用第一性原理（DFT）计算了异质结的能带结构，发现其呈现II型能带排列，且两种材料的电子（空穴）轨道强烈耦合，这有效促进了层间激子的形成。（5）构建了基于CdTe/MoS2异质结的气敏传感器，其对NO2表现出高敏感性。比较发现，异质结传感器的性能明显优于MoS2传感器，而且能解决后者不能完全恢复的缺陷，这对传感器的实际应用至关重要。相应的DFT结果也验证了实验现象。本项目研究成果对二维非层状材料、新型异质结的制备及应用具有借鉴意义。