纳米尺度上二维范德华异质体系的光电行为研究

In recent years, a variety of emerging two-dimensional materials with different physical properties give rise to another novel heterostructure system, i.e. two-dimensional van der Waals heterostructure. Although macroscopically two-dimensional van der Waals heterostructure has shown great application potential and excellent performance in the optoelectric field, the microscopic processes and mechanisms still need to be further studied and addressed. Hence, our proposed project plans to employ a scanning atomic-force photoelectric and spectral imaging system with nanoscale spatial resolution. Local optical spectra and surface photovoltage/photocurrent can be acquired simultaneously during scanning high-resolution topographic images. With this system, we can explore various surface microstructures, such as inhomogeneous morphologies, fluctuations, folding, adsorptions, defects, etc., as well as local electric field. The influence of these factors can be further evaluated on the phonon vibrations, formation of excitons, charge transfer and separation, transport and collection of hot carriers. The internal relations and laws between these physical mechanisms and local photoelectric behaviors are revealed. The effects of various factors on the overall performance of the optoelectronic devices are studied from the microscopic point of view, laying a foundation for the further study of two-dimensional van der Waals heterostructure optoelectronic devices.

近年来各种具有不同物理特性的二维材料不断涌现导致另一类新型结构体系的兴起，即二维范德华异质结构体系。虽然宏观上二维范德华异质结构在光电领域已经表现出极大的应用潜力和优异性能，但是其微观过程和微观机理仍有待深入研究和探讨。为此，本项目拟采用具有纳米级空间分辨率的扫描原子力光电-光谱成像系统，该系统在获得高分辨形貌的同时可原位测量局域光谱和光电压/电流分布。利用该系统，可以在纳米尺度上探索二维范德华异质体系中各种表面形貌、起伏、皱褶、吸附、缺陷等微观结构以及局域电场对声子振动、激子形成、电荷转移以及热载流子产生、分离与输运等各种物理效应的影响，并揭示这些物理机制与局域光电行为之间的内在联系和规律。从微观角度上研究这些复杂体系中各种要素对光电器件整体性能所起的作用，为进一步深入研究二维范德华异质结光电器件奠定基础。

原子层级二维材料一个巨大优势是可以人为构造范德华异质结，由于不同二维材料具有不同带隙，不同能带结构，因此可以根据需求定制不同能带组合方式。虽然宏观上二维范德华异质结构在光电领域已经表现出极大的应用潜力和优异性能，但是其微观过程和微观机理仍有待深入研究和探讨。本项目从材料、工艺以及器件表征等多种手段出发展开系统性研究。首先通过臭氧表面处理和激光烧蚀方法，成功实现二维材料精确层数可控，实验结果表明臭氧减薄所制备的二维材料无论从光谱特性还是电学特性与机械剥离的二维材料均可比拟。因此，利用该方法可以方便获得大面积、高质量二维层状材料。然后，利用激光烧蚀技术在石墨烯表面构筑石墨烯单层-多层异质结，并利用该结制备出场效应光电器件。通过扫描光电流方式发现在单层-多层石墨烯异质结位置处，观察到双光电流现象，其主要来源于光热电效应和光伏效应，并且该现象受到湿度和偏压的影响。制备石墨烯和InGaAs异质结光电器件。该结构充分利用石墨烯和InGaAs材料的互补特性，使光电器件的光谱响应覆盖从紫外到近红外，即325 nm 到 1700 nm。其外量子效率比传统的可见拓展PIN InGaAs光电器高出了2个数量级，此外，该光电器件还具有较快的响应速度。最后在我们利用上转换的特性，在二维材料MoS2上集成了上转换纳米颗粒材料，从而使宽禁带MoS2可以吸收亚带隙光子，从而实现红外光探测。将MoS2的光电响应波长从可见光拓展到近红外范围，实现了宽光谱范围探测。这些研究结果丰富了二维异质结光电器件方面的研究，并进一步拓展二维光电器件的应用范围和领域，同时也为其他异质结器件的研究提供良好的参考价值和借鉴意义。