电致伸缩效应对二维垂直异质结光电性质的调控研究

Two-dimensional (2D) transition metal dichalcogenides (TMDs) heterostructures have gradually been the ideal opto-electronic materials, due to their varied band structures. However, the photovoltaic behavior of the heterostructures was greatly limited by their confined bandgap and weak interlayer interaction. Besides, the traditional strain tuning method based on flexible substrates has lots of burning problems, such as the tuning process is discontinuous, the nonnegligible atomic structures damage and the complex fabrication process. This project designs a bandgap tunable photovoltaic system with Graphene/2D TMDs heterostructures/PMN-PT. By utilizing the electrostriction of the piezoelectric substrates, the bandgap and the interlayer interaction of the heterostructures can be accurately, continuously and quantitively tuned. This project focuses on the fundamental understanding of strain tuning mechanism in photovoltaic properties of 2D heterostructures, as well as illustrating the intrinsic relations between interlayer interaction and the concentration and the transport speed of the electrons-holes in heterostructures. By combining the experimental and computational results, the project aims at obtaining the universal strain tuning model for the heterostructures as photovoltaic devices and providing the fundamental research for the controllable synthesis of ultra-thin wearable photovoltaic nano-devices in future.

二维过渡金属硫属化合物（TMDs）异质结因其能带结构的多样性，现已逐步成为可运用于光、电学等领域的理想材料。然而，异质结的组成材料所固定的能带间隙及层间耦合形式的不可调控性极大的限制了其光电转化能力。本项目提出了设计新型、能隙可调控的石墨烯/二维TMDs异质结/PMN-PT（压电衬底）复合材料光探测器体系。主要研究利用压电基底的电致伸缩效应，将对基底施加垂直电场而产生的形变无损传导至异质结中，进而在外加电场的定量控制下同步实现异质结能隙和层间耦合作用精确、连续、定量的调控；同时实现应力调控下异质结光电性质实时、原位的测定。项目从理论层面上，研究应力对异质结能隙大小、光生载流子浓度及传输速率等光电性质的调控机制；阐明异质结层间耦合模式与界面间电荷转移的内在联系；最终辅助以计算机建模，建立应力调控二维异质结光电性质的普适性模型，为微纳、超薄、柔性可穿戴光探测器的可控制备提供理论研究基础。

光探测器可被广泛应用于国防安全、环境、通信等领域，其核心单元半导体材料的结构设计和性能调控是影响光探测器光伏性能的重要因素。目前，基于传统半导体探测材料（如碲镉汞）的功能性器件已经达到理论发展极限。具有半导体性质的TMDs材料的能带间隙一般在1~2 eV间，其吸光范围与太阳能光谱相契合，可媲美传统窄带隙半导体材料（如Si、GaAs、CdTe等）。TMDs异质结构普遍拥有制备方法简单、不受晶格匹配度约束等优势，现已逐步成为可运用于电子学、光电子学等领域的理想材料。同时，超薄的、具有直接带隙的二维TMDs材料所拥有的优异吸光性能和很短的激子传输路径可从理论上降低光生载流子的复合率。因此，如何有效、精准的通过调控二维TMDs垂直异质结的结区层间耦合作用及光、电学性质得到利用异质结组装而成的性能可精确控制的高效微纳光伏器件，现已成为半导体材料科学研究中的前沿课题。本项目通过探究窄带隙半导体材料碲烯在硅基晶圆表面的生长动力学，得到了大面积碲烯薄膜生长的最优条件，并通过在宽带隙半导体材料氮化镓表面进行外延生长，构筑了Te/GaN异质结。通过基于密度泛函的理论计算显示，制备所得的Te/GaN异质结具有第一类异质结的straddling type能带结构。进一步，本项目构筑了基于Te/GaN异质结的微纳光探测器，并对光探测器的光电性能进行了探究。研究表明，Te/GaN 光探测器在365 nm紫外光激发下具有4.95 A/W的良好响应度和1.57*1016 Jones的探测率，相比单一GaN光探测器分别提高了14.5倍和107数量级。同时，Te/GaN 异质结的光探测器响应时间为0.1 s，比相比单一GaN缩短了2.8倍。Te/GaN异质结的优异光电性能得益于异质结的洁净界面和良好的带隙耦合重排。项目资助发表国际顶尖材料学SCI期刊收录2篇，待发表3篇，培养硕士生7名，均为在读。项目投入经费24万元，支出22.04万元，各项支出基本与预算相符合。项目结余1.96万元，拟用于本项目研究后续经费支出。