二维垂直异质结构的缺陷调控及其应用

2-dimensional (2D) atomic crystals and their ultrathin, vertical, and van der Waals heterostructures have become hot topics in scientific research in recent years, which also show promising applications in logic circuits and opto-electronic devices. Interlayer interaction plays a great role in determining the physical properties of these 2D vertical heterostructures. Defects would modulate their interlayer interaction, deriving novel or abnormal properties. However, the effect of defects in 2D vertical heterostructures has yet to be well studied. In this project, we propose to employ high-energy particle irradiation method to introduce defects in 2D vertical heterostructures, aiming to modulate interlayer band alignments, charge transfers, or phonon interactions. We will probe the optical, electrical, and mechanical properties of derived defective heterostructures, and investigate their potential applications as high-performance opto-electronic detectors and molecular sensors. Our project will not only deepen the understanding of defects from the viewpoint of 2D interfaces, but also provide possibilities to improve the device performance by defect engineering. We believe that our project is of vital importance for both fundamental research and device applications.

二维原子晶体及其通过范德瓦尔斯作用堆叠成的二维垂直异质结构是近年来研究的热点，在逻辑器件和光电探测器件等领域展现出诱人的应用前景。层间的界面作用对于二维垂直异质结构的物性具有重要的影响。缺陷的存在可能会改变异质结构的层间作用，引起新奇的或反常的物性，然而对于异质结中缺陷的作用，目前仍然缺乏深入的研究。本项目将通过高能粒子辐照的方法可控地在二维垂直异质结构中引入缺陷，改变异质结构层间的能带匹配、电荷转移或者声子间的相互作用，并研究由此产生的新的光学、电学和力学现象，进一步探索其在光电探测和分子探测方面的应用。本项目所提出的内容，一方面可以深化人们对于二维垂直异质结构中层间耦合的理解，并从二维界面的角度拓宽人们对缺陷的认识；另一方面，也可能通过缺陷引入的方法，调控二维异质结构的性质并提高器件的性能，因此具有重要的基础研究意义和应用价值。

先进半导体作为支撑我国“新基建”和“中国制造2025”计划的核心材料，是保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业。随着集成电路中晶体管等关键结构单元逼近尺寸微缩极限，以MoS2、WSe2为代表的二维过渡金属硫族化合物半导体因具有纳米级甚至原子级尺寸并能够制备低界面散射的范德华异质结新结构，有望成为尺寸微缩极限下高性能的半导体沟道关键材料。缺陷对二维半导体材料及其异质结构的性质具有显著的影响，是调控二维材料性质的重要手段，然而目前对于缺陷的影响和作用仍然缺乏系统的研究。本项目通过高能粒子辐照和激光辐照等方法，可控地在二维材料及其异质结构中引入缺陷，调控二维材料的界面作用，研究由此产生的新的力学、光学和电学现象，探索其在光电探测和分子探测方面的应用。本项目取得了多个创新性成果：发现MoS2/石墨烯垂直异质结在高能电子束辐照下发光能量的鲁棒特性；揭示了多相MoTe2在等轴拉伸下的力学特性和断裂规律；基于原位实验观察与理论模拟，揭示了MoS2薄膜网络状褶皱的动态传播规律；构建了富含缺陷的高灵敏二维NbS2-Nb2O5-NbS2异质结气体传感器；发展了高性能的WSe2/VO2异质结双模态光电探测器。在Nano Letters、Advanced Materials、Materials Today、Applied Physics Reviews等刊物发表SCI 论文22篇，其中IF>10的论文12篇；申请和授权发明专利3项；在国内外重要学术会议做邀请报告6次；培养了博士后1名，博士生2名，硕士生1名。项目成员获中国材料研究学会科学技术奖一等奖（第一完成人，2020）、第10届国际先进技术材料大会新星报告奖一等奖、AsiaNANO最佳海报奖等奖励。本项目的研究成果，一方面拓展了人们对于二维界面缺陷的认知，另一方面通过缺陷工程调控并提升了二维异质结器件的性能，具有重要的基础研究意义和应用价值。