突破：二维半导体异质结研究获新进展
二维材料研究现状及展望（转自科学观察）+评析系列1
⼆维材料研究现状及展望（转⾃科学观察）+评析系列1导语：这是⼀篇⼆维材料的中⽂综述，⾏⽂⽐较客观，相应的英⽂版在Chem. Rev. 2013, 113, 3766。
⼆维材料确实可以作为基础科学研究的平台，特别为凝聚态物理拓展了空间，⽐如不同的堆垛形式，不仅带来了对能带结构拓扑特征的理解，⽽且对界⾯⼒学⾏为起到了推动作⽤。
从应⽤上⽽⾔，⼆维材料不可能取代硅材料，它最终有没有可能与现有的半导体技术进⾏优势互补，也还有⼀个相当长的过渡时期。
⽂末还附带了⼀篇⾼稳定性黒磷的制备，当时是2015年的论⽂，现在回过头来看会更加客观冷静。
原⽂链接：⼆维材料是⼀⼤类材料的统称,指的是在⼀个维度上材料尺⼨减⼩到极限的原⼦层厚度,⽽在其他两个维度,材料尺⼨相对较⼤。
最典型也是最早实验证明的⼆维材料是⽯墨烯。
2004年,K. S. Novoselov等⼈在Science杂志发表⽂章,报道了通过机械剥离的⽅法从⾼取向的裂解⽯墨中获得了⽯墨烯,且证明了其独特优异的电学性质。
⾃此之后,以⽯墨烯为代表的⼆维材料获得了快速的发展,新的⼆维材料如⾬后春笋般涌现。
得益于其原⼦层厚度⽅向上的量⼦局限效应,这些⼆维材料展⽰出与其对应的三维结构截然不同的性质,因此受到了科学界和⼯业界的⼴泛关注。
除⽯墨烯之外,其他的⼆维材料还包括：单元素的硅烯、锗烯、锡烯、硼烯和⿊磷等,过渡⾦属硫族化合物如MoS2、WSe2、ReS2、PtSe2、NbSe2等,主族⾦属硫族化合物如GaS、InSe、SnS、SnS2等,以及其他⼆维材料如h-BN、CrI3、NiPS3、Bi2O2Se等。
这些⼆维材料具有完全不同的能带结构以及电学性质,覆盖了从超导体、⾦属、半⾦属、半导体到绝缘体等材料类型。
同时,他们也具有优异的光学、⼒学、热学、磁学等性质。
通过堆垛种类不同的⼆维材料,可以构筑功能性更强的材料体系（博主注：从堆垛的⾓度来考察⼆维材料是最近⼏年的热门⽅向，也是未来⼆维材料可能的⽴⾜点。
二维半导体wse2及其异质结的激子与谷极化动力学研究
二维半导体wse2及其异质结的激子与谷极化动力学研究
二维半导体WSe2是一种具有相对较大带隙的材料，在单层结
构下，具有优异的光电性能和谷极化特性。
谷极化是指在
WSe2中的能带结构中存在两个能带极化的谷，即K点和K'点。
激子是在半导体中由电子与空穴结合形成的一种束缚态，具有稳定性和特殊的光学性质。
研究二维半导体WSe2及其异质结的激子与谷极化动力学，主
要关注以下几个方面：
1. 激子的光学特性：通过光谱测量技术，可以研究WSe2及其
异质结的激子的光学发射和吸收特性。
激子的能级结构和激子的寿命可以通过激子能带图和荧光寿命实验来研究。
2. 谷极化的特性：通过光谱测量和偏振相关实验，可以研究WSe2及其异质结中谷极化的特性。
具体包括研究谷极化的椭
偏率、光透射性能以及谷极化的调控方法等。
3. 动力学过程的分析：通过时间分辨光谱技术，可以研究二维半导体WSe2及其异质结激子与谷极化的动力学过程。
例如，
通过激光激发和探测技术，可以研究激子的寿命、能级结构和能带之间的相互作用等。
此外，还可以利用理论计算方法，如密度泛函理论(DFT)和紧
束缚模型(TBM)，对WSe2及其异质结的激子与谷极化动力学
进行模拟和理论分析，以深入理解这些材料的光学性质和电子结构。
研究二维半导体WSe2及其异质结的激子与谷极化动力学，对于理解和应用这些材料在光电器件中的潜力具有重要意义，可以为二维半导体的光电器件设计和性能优化提供指导。
半导体10大研究成果
半导体10大研究成果
1.量子比特实现量子超越：在量子计算领域，实现了一些具有超越经典计算能力的重要里程碑，如量子比特的相干控制和纠缠。
2.新型半导体材料的研究：发现和研究了一些新型半导体材料，包括拓扑绝缘体、二维材料（如石墨烯）等，这些材料具有独特的电学和光学性质。
3.自组装技术的发展：自组装技术在芯片制造中取得了重要进展，能够有效地提高集成电路的制造密度，提高性能。
4.超导量子位的进展：在量子计算领域，实现了一些超导量子位的重要突破，包括提高了量子位的运行时间和减小了错误率。
5.神经元芯片的研究：半导体技术在神经科学领域的应用，研究了仿生学方向的芯片，模拟了神经元网络的行为。
6.自适应光学元件：在激光器和光通信领域，研究了一些自适应光学元件，以提高光通信系统的稳定性和性能。
7.极紫外光刻技术（EUV）：EUV技术在半导体芯片制造中取得了显著进展，实现了更小尺寸的制造工艺，提高了芯片集成度。
8.量子点显示技术：在显示技术中，量子点显示技术取得了进展，提高了显示屏的颜色饱和度和能效。
9.能量高效的电源管理技术：针对便携设备和物联网设备，研究了一些能量高效的电源管理技术，以延长电池寿命和提高设备的能效。
10.半导体传感器的创新：开发了一些新型半导体传感器，应用于医疗、环境监测和工业生产等领域，提高了传感器的灵敏度和稳定性。
这仅仅是一小部分半导体领域的研究成果，该领域的研究一直在不断推进。
要了解最新的研究成果，建议查阅相关领域的学术期刊和会议论文。
新型二维材料光催化与电催化研究进展
新型二维材料光催化与电催化研究进展一、本文概述随着科技的飞速发展，二维材料作为一种新兴的纳米材料，以其独特的物理和化学性质，在光催化和电催化领域展现出巨大的应用潜力。
本文旨在全面概述新型二维材料在光催化和电催化领域的研究进展，探讨其性能优化和应用前景。
我们将首先介绍二维材料的基本特性及其在光催化和电催化中的优势，然后重点综述近期在二维材料设计、合成、性能调控以及实际应用等方面取得的重要成果。
我们还将讨论当前面临的挑战和未来的发展方向，以期为该领域的进一步研究提供有益的参考。
二、二维材料光催化研究进展近年来，二维（2D）材料在光催化领域的研究取得了显著的进展。
这些材料因其独特的电子结构和物理化学性质，为光催化反应提供了新的可能性。
二维材料，如石墨烯、过渡金属硫化物、黑磷等，具有原子级别的厚度和极高的比表面积。
这些特性使得二维材料在光吸收、电荷传输和表面反应等方面展现出独特的优势。
例如，其超薄的结构使得光生载流子能够在更短的时间内到达表面参与反应，从而提高光催化效率。
二维材料在光催化领域的应用主要包括光解水制氢、光催化还原二氧化碳以及有机污染物的光催化降解等。
通过调控二维材料的电子结构、构建异质结、引入缺陷等手段，可以进一步提升其光催化性能。
近年来，科研人员在二维材料的光催化性能方面进行了大量研究。
例如，通过精确控制二维材料的合成条件，可以实现对其能带结构的调控，从而提高光生载流子的分离效率。
通过将二维材料与其他材料复合，形成异质结结构，可以进一步促进光生载流子的传输和分离，从而提高光催化性能。
尽管二维材料在光催化领域取得了显著的进展，但仍面临一些挑战，如光生载流子的复合率较高、可见光利用率较低等。
未来，科研人员需要进一步探索新的二维材料，并发展更有效的策略来提高其光催化性能。
还需要深入研究二维材料光催化反应的机理，为设计更高效的光催化剂提供理论支持。
三、二维材料电催化研究进展近年来，二维材料在电催化领域的研究取得了显著进展，其独特的电子结构和物理性质使得它们在电催化反应中展现出优异的性能。
二维材料异质结高灵敏度红外探测器
二维材料异质结高灵敏度红外探测器近年来，随着纳米技术的快速发展，二维材料逐渐引起了科学家和工程师的广泛关注。
二维材料具有独特的物理和化学特性，使得其在红外探测器领域具有巨大的潜力。
特别是在二维材料异质结的构建方面，研究人员已经取得了一系列重要的突破，从而实现了红外探测器的高灵敏度。
首先，二维材料异质结的构建是实现高灵敏度红外探测器的关键。
二维材料的异质结由两种或多种不同的二维材料组成，通过垂直堆叠的方式形成。
这些不同材料之间存在着能带差异，从而形成了对红外光的敏感性。
通过选择合适的二维材料组合，可以实现对不同波长的红外光的探测。
其次，二维材料异质结的红外探测机制是其高灵敏度的关键。
目前，主要有两种机制用于解释二维材料异质结的红外探测性能。
第一种是界面电势差效应。
当红外光照射到二维材料异质结上时，会产生光生电荷对，从而在界面上产生电势差。
通过测量界面电势差的变化，可以实现对红外光的探测。
第二种机制是能带结构的调控。
由于二维材料的禁带宽度与结构参数的调控有关，因此可以通过调控结构参数来调整红外探测的波长范围和灵敏度。
然而，二维材料异质结的红外探测器还存在一些挑战。
首先，由于二维材料取向的不确定性，导致了二维材料稳定性的低下。
这影响了红外探测器的长期稳定性。
其次，由于二维材料异质结的能带高度的差异，使得红外探测器的响应时间较长。
这限制了其在高速探测方面的应用。
此外，二维材料异质结的制备工艺相对复杂，制备成本较高，且产量较低，限制了其规模化应用的发展。
为了解决这些挑战，研究人员采取了一系列改进措施。
首先，通过合适的表面修饰和外场调控等方法，可以提高二维材料异质结的稳定性。
其次，通过优化制备工艺，采用可控环境来控制异质结的形成，可以提高红外探测器的响应速度。
此外，研究人员还探索了其他具有高灵敏度的红外探测机制，如表面增强红外吸收（SEIRA）效应、界面电子效应等，以进一步提高红外探测器的性能。
总之，二维材料异质结红外探测器具有高灵敏度的潜力。
《2024年二维异质结材料中热载流子动力学过程的研究》范文
《二维异质结材料中热载流子动力学过程的研究》篇一一、引言随着纳米科技的飞速发展，二维材料因其独特的物理和化学性质，在众多领域中展现出巨大的应用潜力。
其中，二维异质结材料由不同种类的二维材料堆叠而成，具有丰富的能带结构和优异的电学性能，是当前研究的热点。
热载流子动力学过程作为电子输运的重要环节，对于理解异质结材料的电学性能和优化器件性能具有重要意义。
本文将重点研究二维异质结材料中热载流子的动力学过程，分析其输运特性及影响因素，为相关应用提供理论支持。
二、二维异质结材料的结构与性质二维异质结材料由多种不同类型的二维材料组成，如石墨烯、过渡金属硫化物等。
这些材料具有不同的能带结构、电子亲和能和介电常数等性质，使得异质结界面处形成势垒和能带弯曲。
这种特殊的结构使得二维异质结材料具有优异的电学性能和光电性能，为热载流子的产生、输运和复合提供了条件。
三、热载流子的产生与输运在二维异质结材料中，热载流子主要通过光激发、电场加速和热激发等方式产生。
产生后的热载流子在材料内部经历复杂的输运过程，包括扩散、漂移和散射等。
这些过程受到材料能带结构、电子亲和能、介电常数以及温度、电场等因素的影响。
因此，研究这些因素对热载流子动力学过程的影响，有助于深入了解二维异质结材料的电学性能。
四、热载流子动力学过程的模拟与实验研究为了研究二维异质结材料中热载流子的动力学过程，本文采用理论模拟和实验研究相结合的方法。
在理论模拟方面，利用第一性原理计算和半经典动力学模拟等方法，研究热载流子的产生、输运和复合等过程。
在实验研究方面，通过制备不同结构的二维异质结材料，利用光学、电学和光谱等手段，观察和分析热载流子的动力学行为。
通过对比理论模拟和实验结果，验证了理论模型的正确性，并进一步揭示了影响热载流子动力学过程的因素。
五、影响因素及优化策略通过研究发现在二维异质结材料中，影响热载流子动力学过程的因素主要包括材料能带结构、电子亲和能、介电常数以及温度、电场等。
ii型能带排列(type-ii band alignment)的半导体异质结
ii型能带排列(type-ii band alignment)的半导体异质结1. 引言1.1 概述在当前半导体领域的研究中，半导体异质结作为一种重要的结构形式，被广泛应用于光电子器件、太阳能电池、传感器等领域。
其中，ii型能带排列的半导体异质结因其特殊的能带布局而备受关注。
本文将重点讨论ii型能带排列在半导体异质结中的性质和应用。
1.2 文章结构本文主要分为五个部分进行论述。
首先，在引言部分将介绍文章的概述和结构。
接下来，在第二部分将详细探讨ii型能带排列的概念和半导体异质结的介绍。
然后，第三部分将描述研究所采用的方法和实验设计，并介绍样品制备过程以及测量技术和数据分析方法。
在第四部分，我们将展示并分析实验结果，并探讨ii 型能带排列对半导体异质结性能的影响。
最后，在第五部分中，我们将总结实验的主要研究结果，并展望未来进一步研究方向。
1.3 目的本文旨在深入理解ii型能带排列的半导体异质结及其在光电子器件等领域的应用。
通过对该结构的研究和分析，我们将进一步揭示这种特殊能带排列对半导体异质结性能的影响，并为未来相关研究提出可能的发展方向。
通过本文的撰写，期望能够推动该领域更深入和前沿研究的开展，促进半导体器件性能的提升和应用拓展。
2. ii型能带排列的半导体异质结：2.1 ii型能带排列概念解释：ii型能带排列是指在半导体异质结中，导带和价带的边界发生了反转，即导带和价带在空间分布上相互交叠或发生错位。
与i型能带排列不同，ii型能带排列在异质结中形成了一个电子束缚态，这种电子束缚态能够限制电子的移动并引起诸如增强光吸收、光致发光等现象。
2.2 半导体异质结介绍：半导体异质结是由两种不同材料组成的晶体接触面形成的界面。
其中一种材料通常被称为n型材料，具有多余的自由电子；另一种材料通常被称为p型材料，具有多余的空穴。
当n型和p型材料通过特定方法结合时，在界面处会形成一个内建电场，这也是介绍类型创建区域和载流子流动的重要因素之一。
二维材料异质结的应用领域
二维材料异质结的应用领域《二维材料异质结的应用领域》引言：随着二维材料的发现和研究，二维材料异质结成为了一个备受关注的研究领域。
二维材料异质结具有独特的电子结构和功能，其在多个领域都有着广泛的应用前景。
本文将重点介绍二维材料异质结在能源、电子学、光电子学和传感器方面的应用。
一、能源领域：二维材料异质结在能源领域有着重要的应用前景。
首先，在光伏领域，二维材料异质结作为太阳能电池的吸收层可以提高光吸收效率和光电转化效率。
例如，二维材料MoS2和其他半导体材料形成异质结后，可实现更高的光电转化效率。
其次，在储能领域，二维材料异质结作为电池和超级电容器的电极材料可实现更高的储能密度和长寿命。
二、电子学领域：二维材料异质结在电子学领域也有着广泛的应用。
首先，在晶体管领域，二维材料异质结能够提供更高的载流子迁移率和更快的开关速度，从而实现更高的电子器件性能。
其次，在电子器件集成领域，二维材料异质结可以实现半导体器件与传感器、电容器等其他功能器件的集成，从而在电路设计和制造方面具有重要的意义。
三、光电子学领域：二维材料异质结在光电子学领域也有着重要的应用。
首先，在光电探测领域，二维材料异质结的优异性能可以实现高灵敏度和低噪声的光电探测器件。
其次，在光电调制和光纤通信领域，二维材料异质结能够实现快速的光调制和高速数据传输。
四、传感器领域：二维材料异质结在传感器领域有着广泛的应用。
其特殊的电子结构和表面活性使得二维材料异质结能够在气体传感、光学传感、生物传感等领域展现出高灵敏度和高选择性。
例如，二维材料Graphene和其他金属氧化物形成异质结后，可以实现高效的气体传感器。
结论：二维材料异质结作为一种新型的材料结构，在能源、电子学、光电子学和传感器等领域都有着重要的应用前景。
随着对二维材料异质结的深入研究，相信在未来会有更多的应用领域被发现并实现。
超宽禁带二维半导体材料与器件研究
超宽禁带二维半导体材料与器件研究摘要：针对于半导体来讲，其只有七十多年的历史，但对社会发展的影响极大，半导体技术发展与其材料的物理性质有较大关联。
半导体材料可以应用到诸多领域，如晶体管、集成电路、电力电子器件及光电子器件等等，是国家科技发展的关键标志。
基于此，本文主要分析超宽晋禁带二维半导体材料与器件，希望可以为相关人士提供参考和借鉴。
关键词：超宽带隙二维半导体材料和器件分析目前，超宽禁带二维半导体材料的研发与应用掀起了一股浪潮，其具有较高光电转化能力、高频功率特性、高温稳定及低能量损耗等优势，可以为诸多领域发展提供帮助。
超宽禁带二维半导体材料与器件不仅发展空间大，并且市场前景也相对较好，需要细致分析材料支配方式，并且思考其在器件中的运用和性能展现。
一、超宽禁带二维半导体概述禁带宽度即为的一个能带宽度，单位为eV（电子福特），但需要注意的是，固体中的电子能量并不能连续取值，这样能带的连续性就会受到影响[1]。
想要导电就应有自由电子来作为支撑，自由电子能带可称之为导带（能导电），同时已经被束缚的电子想要转变成为自由电子，就应有充足的能量，这样才可以跃迁到导带，其能量的最小值即为禁带宽度。
另外，针对于半导体材料的基本物理性质来讲，其与禁带宽度有较大关联，禁带宽度较窄则说明材料属性的金属比例较大，较宽则说明其倾向于绝缘体。
目前，半导体材料通常都是依照禁带宽度来进行划分，即为窄禁带半导体材料、宽禁带半导体材料、超宽禁带半导体材料、超窄禁带半导体材料。
超宽禁带半导体的全称为Ultra-wide bandgap semiconductors，其带隙普遍大于3.4eV（GaN的禁带宽度），性质即为高击穿电场、热导率、电子迁移率等等[2]。
同时超宽禁带半导体的优势高于宽禁带半导体，耐高温、耐高压、高频及抗辐射能力较强，可以高效运用到多个领域，如在超高压电力电子期间、量子通信与极端环境等领域的应用空间都相对较大。
二维半导体材料及其场效应结构光电器件研究
二维半导体材料及其场效应结构光电器件研究一、本文概述随着科技的飞速进步，二维半导体材料已成为当今科学研究和技术应用的热点之一。
这些材料因其独特的物理性质、出色的电学性能和易于调控的能带结构，在电子器件、光电器件以及新能源等领域展现出巨大的应用潜力。
特别是场效应结构光电器件，二维半导体材料在其中发挥着至关重要的作用。
本文旨在全面探讨二维半导体材料的基本性质、制备方法，以及在场效应结构光电器件中的应用和研究进展，以期为相关领域的科研工作者和技术人员提供有价值的参考和启示。
本文首先简要介绍了二维半导体材料的基本概念、分类及其独特的物理性质，包括其电子结构、光学性质以及电学性能等。
接着，重点阐述了二维半导体材料的制备方法，包括机械剥离法、化学气相沉积法、溶液法等，并分析了各种方法的优缺点。
在此基础上，文章进一步探讨了二维半导体材料在场效应结构光电器件中的应用，包括光电探测器、太阳能电池、发光二极管等，并深入分析了这些器件的工作原理、性能特点以及未来发展方向。
本文还综述了近年来二维半导体材料及其场效应结构光电器件的研究进展，总结了该领域取得的重要成果和突破，同时指出了当前研究中存在的问题和挑战。
文章对二维半导体材料及其场效应结构光电器件的未来发展进行了展望，提出了一些可能的研究方向和应用前景，以期为该领域的持续发展和创新提供有益的参考和借鉴。
二、二维半导体材料的性质与制备二维半导体材料，如石墨烯、过渡金属硫化物（TMDs）等，因其独特的电子结构和物理性质，近年来在材料科学和纳米技术领域引起了广泛关注。
这些材料在二维平面内具有原子级别的厚度，展现出了许多不同于传统三维半导体材料的电子和光学特性。
二维半导体材料通常具有极高的载流子迁移率、强的光学吸收以及可调谐的带隙等特性。
这些特性使得二维半导体材料在高速电子器件、光电探测、太阳能电池等领域具有广阔的应用前景。
二维材料的表面结构和化学性质也为通过化学修饰、掺杂等方式调控其电子和光学性质提供了可能。
二维材料 异质结 堆叠顺序 能带结构
二维材料异质结的堆叠顺序对能带结构的影响随着二维材料的发展和应用，人们对其异质结的性质和特性也越来越感兴趣。
异质结是由不同种类的二维材料通过堆叠而形成的结构，其能带结构对材料的电子输运和光电性能具有重要影响。
本文将从二维材料异质结的堆叠顺序对能带结构的影响进行探讨，以期为二维材料在电子器件和光电器件中的应用提供参考。
1. 异质结的定义与特性二维材料的异质结是指由不同种类的二维材料通过堆叠而形成的结构，其在电子器件和光电器件中具有广泛的应用前景。
在二维材料异质结中，由于不同材料的晶格常数、晶格结构和化学成分的差异，导致了异质结区域的电子结构和能带特性的不同。
2. 堆叠顺序对异质结能带结构的影响在二维材料异质结的形成过程中，堆叠顺序对异质结的性质产生了重要影响。
不同的堆叠顺序会导致异质结区域的原子间相互作用和能带结构的变化。
研究表明，对于某些二维材料异质结而言，不同的堆叠顺序可能会导致不同的电子能带结构，进而影响其电子输运和光电性能。
3. 实验研究与理论模拟通过实验研究和理论模拟，人们发现了不同堆叠顺序对二维材料异质结能带结构的影响。
来自于Bulk SnS2和MoS2异质结的研究表明，垂直堆叠和平行堆叠的异质结能带结构存在显著差异。
在垂直堆叠结构中，由于SnS2和MoS2层之间的相互作用较弱，形成了较大的带隙；而在平行堆叠结构中，SnS2和MoS2层之间的相互作用较强，形成了较小的带隙。
这些差异对二维材料异质结的电子输运和光电性能具有重要影响。
4. 应用前景与展望二维材料异质结在电子器件和光电器件中具有广泛的应用前景。
通过精心设计和控制堆叠顺序，可以调控异质结的能带结构，进而实现对材料的电子输运和光电性能的调控。
未来的研究方向包括对堆叠顺序的进一步优化和控制，以及对不同类型二维材料异质结的能带结构和性能进行深入研究。
利用二维材料异质结的堆叠顺序来调控能带结构，对于其在电子器件和光电器件中的应用具有重要意义。
二维材料器件国内外研究对比
二维材料器件国内外研究对比二维材料是指由单层或少数几层原子组成的材料，在纳米尺度展现出独特的物理和化学性质。
近年来，二维材料的研究在国内外取得了快速发展，尤其是在器件应用方面的研究也逐渐成为热点。
下面将对二维材料器件在国内外的研究进行对比分析。
首先，从国外的研究来看，美国和欧洲国家是二维材料器件研究的主要力量。
在美国，斯坦福大学和麻省理工学院等高校研究机构一直在二维材料器件领域保持领先地位。
在器件制备方面，美国研究人员首次成功实现了单层石墨烯的制备，开创了二维材料领域的研究热潮。
此后，美国的研究者还发展了许多其他二维材料，如二硫化钼、二硒化钼等，并在光电子器件、传感器、能源存储等领域取得了重要进展。
欧洲国家在二维材料器件的研究方面也有很多突破。
英国和瑞士的研究机构在石墨烯的应用方面取得了重要进展，例如，英国曼彻斯特大学的石墨烯研究中心在石墨烯的强壁效应、量子效应和电子结构等方面开展了深入研究。
瑞士的洛桑联邦理工学院则在石墨烯晶体生长和器件制备方面取得了重要突破，使得石墨烯器件的性能得到了极大提升。
而在我国，二维材料器件的研究起步相对较晚，但近年来也展现出了强大的发展潜力。
中国科学技术大学、南京大学等高校已经在二维材料器件方面建立了领先的研究团队。
例如，中国科学技术大学的高性能摄像头中使用了石墨烯纳米带，实现了快速响应和高灵敏度的成像效果。
此外，南京大学的研究人员还开发了基于二维半导体材料的光电传感器，具有高光电转换效率和快速响应速度。
总体来说，国内外在二维材料器件研究方面存在一定差距。
国外在器件制备、物性研究以及应用探索等方面处于领先地位，已经取得了很多重要成果。
而我国尽管起步相对较晚，但在石墨烯、二硫化钼等二维材料器件研究方面也有了一定的突破，并且我国政府也逐渐加大对二维材料器件研究的支持力度。
可以预见，我国在二维材料器件领域的研究将会迎头赶上，并在一些领域取得重要突破。
总之，二维材料器件是当今科学研究的热点领域之一，国内外在该领域的研究取得了一系列重要成果。
二维材料在半导体器件中的应用
二维材料在半导体器件中的应用随着科技的不断进步，二维材料作为新型材料受到了广泛的关注。
二维材料是指在一个平面上只有一层原子厚度的材料，最具代表性的是石墨烯。
由于其独特的物理和化学性质，二维材料已经成为半导体器件中的一种重要候选材料。
本文将探讨二维材料在半导体器件中的应用。
一、二维材料的结构特点二维材料具有以下结构特点：首先，由于只有一层原子厚度，二维材料具有极高的表面积与体积比；其次，二维材料具有较高的载流子迁移率，这是由于它们在一维限制下，电子减小了散射的可能性，从而提高了电子的迁移速度；此外，二维材料还具有优异的机械性能和光学性能，这些特点使其成为半导体器件的理想材料。
二、二维材料在场效应晶体管中的应用其中一种最典型的二维材料在半导体器件中的应用是石墨烯在场效应晶体管中的应用。
石墨烯具有极高的电子迁移率和优异的热导率，因此可以作为高速晶体管的通道材料。
在石墨烯场效应晶体管中，通过调节输入栅极电压，可以实现对电子的控制和调节，从而实现电流的开关。
这一特性使得石墨烯场效应晶体管具有极高的开关速度和优异的性能。
三、二维材料在光电器件中的应用除了在场效应晶体管中的应用外，二维材料还具有许多在光电器件中的应用潜力。
例如，石墨烯由于其优异的光学性能，在光传感器和光探测器中具有广泛的应用前景。
由于二维材料能够吸收宽波长范围的光线，并且具有较高的量子效率，使其成为制造高效光电转换器件的理想材料。
此外，二维材料还可以用于制备柔性显示器件、激光器件等。
四、二维材料在能源领域中的应用二维材料在能源领域中也具有重要的应用前景。
一方面，二维材料可以作为电极材料用于锂离子电池等储能装置中，其高表面积和低阻抗特性可以提高电池的充放电效率；另一方面，二维材料也可以用于制备光伏和光化学电池，通过吸收光能将其转化为电能，从而实现能源的可持续发展。
综上所述，二维材料在半导体器件中的应用十分广泛，并具有重要的科学意义和应用价值。
在未来，随着对二维材料的深入研究，相信会有更多的新型半导体器件涌现出来，为我们的生活和科技发展带来更多的便利与惊喜。
新型半导体异质结的制备及其应用
新型半导体异质结的制备及其应用新型半导体材料的异质结构是当今材料科学研究的重点之一。
异质结是由不同性质的材料层之间形成的，其内在物理性质具有优异的独特性态。
异质结材料结合不同的带隙和质量密度，具有优异的电子、光电子性质及机械性能，被广泛应用于电子学、光电子学和能源等领域。
设想一下，如果能够在材料的微观层面上制备出精密的异质结结构，这将会怎样促进半导体产业的发展呢？答案是，很多物理学家和材料学家已通过实验以及理论推导，通过各种制备方法制备出了优异的半导体异质结。
一、半导体异质结的定义及制备方法半导体异质结是两个或多个不同的半导体材料之间的交界面，它们在微观结构上形成区别显著的界面，在这些界面中，电子在各自的费米能级顶部和价带底部被拘禁。
由此，产生了众多的新型材料，这些异质结在光电子学、电子学、量子计算以及信息工程技术中有广泛应用。
半导体异质结可以通过以下几种方法制备：1.化学气相沉积（CVD）：基于在高温下化学反应形成的气体来制备异质结，可以制备多种异质结，如Si / SiGe；GaAs / AlGaAs和InGaN / InGaN等。
2.熔融法：通过熔化温度不同的两种半导体材料，然后冷却晶体，形成异质结。
例如，在Si基片上，通过VPE方法采用MOCVD或MBE生长材料，可以形成Si / Si1-xGex。
3.直接外延法：通过不同通道的流化态材料在基片上的直接生长来制备异质结。
这是最广泛应用的异质结制备方法。
生长的材料可以是金属有机化学气相沉积（MOCVD）或分子束外延法（MBE）等方法。
4.氢化前体转化方法（HyPrCAT）：是一种变革型异质结制备方法，通过氢气与半导体前体发生氢化反应，形成异质结材料。
它基于羟基化学，与化学气相沉积相比，处理易于控制。
5.原位跨层原子运移方法（SAM）：是一种近年来开发的变革型异质结制备方法，它采用前面的焦耳电显微镜观察到的单原子层光介质与介质的关系采用原位跨层原子运移的方法制备。
基于新型二维材料及异质结光电探测器的研究
基于新型二维材料及异质结光电探测器的研究一、本文概述随着纳米科技的飞速发展和材料科学的深入探索，二维（2D）材料及其异质结构因其独特的电子和光学性质，在光电探测领域展现出巨大的应用潜力。
本文旨在探讨基于新型二维材料及异质结的光电探测器的研究进展，分析它们的性能优势，以及面临的挑战和未来的发展方向。
我们将首先简要介绍二维材料的基本特性及其异质结的构造原理，然后重点综述近年来在二维材料光电探测器设计、制备和应用方面取得的突出成果，最后展望该领域未来的发展趋势和可能的应用场景。
通过本文的阐述，我们期望能够为相关领域的研究者提供有益的参考，推动基于二维材料及异质结的光电探测器技术的进一步发展。
二、新型二维材料的性质及其在光电探测器中的应用近年来，新型二维材料，如石墨烯、二硫化钼（MoS₂）、二硒化钨（WS₂）等，因其独特的物理和化学性质，如高电子迁移率、直接带隙、强光-物质相互作用等，已成为光电探测器领域的研究热点。
这些二维材料在光电探测领域的应用潜力巨大，有望解决传统光电探测器面临的诸如响应速度慢、探测效率低等问题。
二维材料因其原子级别的厚度，具有极高的比表面积，使得它们对光的吸收效率极高。
二维材料中的载流子迁移率高，可以实现快速的光电响应。
再者，二维材料的带隙结构可调，可以通过改变层数、掺杂、应变等方式调控其光学和电学性质，从而实现对不同波长光的高效探测。
在光电探测器中，二维材料可以作为光吸收层、电荷传输层或电极材料等。
例如，石墨烯因其高电子迁移率和宽带光谱响应，被广泛应用于光电导型探测器。
而二硫化钼等二维半导体材料，则因其直接带隙和强光电转换效率，在光伏型探测器中有广泛应用。
二维材料还可以与其他材料形成异质结，进一步提高光电探测性能。
异质结可以通过调控界面处的能带结构，实现光生载流子的有效分离和传输，从而提高光电转换效率和响应速度。
例如，石墨烯与硅的异质结探测器，结合了石墨烯的高迁移率和硅的高光电转换效率，实现了高性能的光电探测。
半导体异质结
半导体异质结的 研究进展与展望
半导体异质结的制备技术 半导体异质结的性能优化 半导体异质结的应用领域 半导体异质结的未来发展趋势
半导体异质结的 研究进展：在材 料、结构、工艺 等方面取得了重 要进展
半导体异质结的 突破：在光电转 换效率、稳定性、 可靠性等方面取 得了重要突破
半导体异质结的 应用前景：在太 阳能电池、光电 探测器、LED等 领域具有广泛的 应用前景
太阳能电池：利用半导体异质结的 光电效应将太阳能转化为电能
发光二极管（LED）：利用半导体 异质结的电致发光效应将电能转化 为光能
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光电探测器：利用半导体异质结的 光电效应将光信号转化为电信号
激光器：利用半导体异质结的光电 效应产生激光束用于通信、医疗等 领域
温度传感器：用于测量温度变化 压力传感器：用于测量压力变化 湿度传感器：用于测量湿度变化 气体传感器：用于检测气体浓度变化 生物传感器：用于检测生物信号变化 光学传感器：用于检测光学信号变化
半导体异质结： 由两种或两种 以上不同性质 的半导体材料
组成的结构
异质结类型： 包括异质结、 异质结、异质
结等
异质结特点： 具有独特的电 学、光学和热
学性质
异质结应用： 广泛应用于电 子、光电子、 微电子等领域
半导体异质结的形成是通过将两种 不同的半导体材料结合在一起形成 一种新的半导体结构。
半导体异质结的形成还可以通过在 半导体材料中引入杂质来实现例如 通过掺杂、离子注入等方法。
市场需求：随着5G、物联网、人工智能等技术的发展半导体异质结市场前景广阔 技术挑战：半导体异质结技术难度大需要攻克材料、工艺、设备等多方面的难题 竞争压力：全球半导体市场竞争激烈需要不断提高技术水平和产品质量 政策支持：政府对半导体产业的支持力度加大为半导体异质结的发展提供了有利条件
石墨烯基二维垂直异质结的制备及光电子器件
石墨烯基二维垂直异质结的制备及光电子器件戴明金;高峰;杨慧慧;胡云霞;胡平安【摘要】石墨烯和类石墨烯二维半导体材料因其独特的物理化学性质受到研究人员的广泛关注,将二者结合组成的石墨烯基二维垂直异质结近年来备受研究者的青睐.本文简要介绍了石墨烯基二维垂直异质结的基本概念和性质,综述了石墨烯基二维垂直异质结制备技术的最新进展情况,对比分析了不同制备方法各自的优缺点,总结了石墨烯基二维垂直异质结在光电子学器件应用的最新进展.最后对石墨烯基二维垂直异质结的研究和发展方向做了展望.%Graphene and graphene-like two-dimensional materials have attracted extensive attention due to their unique physical and chemical properties. The graphene based two-dimensional vertical heterostructures fabricated by combining the graphene and graphene-like two-dimensional materials are highly favored by researchers. The basic conception and properties of graphene based two-dimensional heterostructures are introduced. This paper reviews the synthesis method with contrasting the merits and demerits of different methods. The applications in photoelectronics of garphene based two-dimensional heterostructures are reviewed. Subsequently, the paper makes a summary and outlook for the research and development direction of graphene based two-dimensional heterostructures.【期刊名称】《材料科学与工艺》【年(卷),期】2017(025)003【总页数】12页(P1-12)【关键词】石墨烯;二维材料;异质结;光电子【作者】戴明金;高峰;杨慧慧;胡云霞;胡平安【作者单位】微系统与微结构制造教育部重点实验室(哈尔滨工业大学) ,哈尔滨150080;哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,哈尔滨150080;微系统与微结构制造教育部重点实验室(哈尔滨工业大学) ,哈尔滨150080;哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,哈尔滨150080;微系统与微结构制造教育部重点实验室(哈尔滨工业大学) ,哈尔滨150080;哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,哈尔滨150080;微系统与微结构制造教育部重点实验室(哈尔滨工业大学) ,哈尔滨150080;哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,哈尔滨150080;微系统与微结构制造教育部重点实验室(哈尔滨工业大学) ,哈尔滨150080【正文语种】中文【中图分类】TB332石墨烯（Gr）自2004年被发现以来［1］，由于自身具有独特的力学、电学、光学等诸多物理化学特性［2－8］，在光电子器件、生化传感器、太阳能电池、可穿戴设备等领域拥有着极大的应用潜力［9－12］.但是，石墨烯因其具有零带隙的特点［13］，表现为金属性质，在很多需求半导体特性的应用中受到了限制.为此，具有类石墨烯结构的其他二维半导体材料相继被发现和研究，例如MoS2、WSe2、SnSe2、BP等［14－17］.随着研究不断深入，单一材料的性能已经很难满足各领域的需求，基于二维材料的垂直异质结构自然成为科学研究的热点之一［18－19］.其中，以石墨烯为基础的二维垂直异质结的研究最为广泛［20－21］.将其他类石墨烯二维半导体材料和石墨烯组合，形成石墨烯基二维垂直异质结.这种新颖的结构不仅将石墨烯独特的物理性质和二维半导体材料的特性进行结合，而且还能通过二者之间的相互作用，形成新的物理化学性质.这为石墨烯基二维垂直异质结应用的各个领域提供了可能.本文简要介绍石墨烯基二维垂直异质结的制备方法，分析不同制备方法的优缺点；分类总结了石墨烯基异质结在光电子器件中的最新研究进展，并对近期未来的研究方向做出分析和判断.1.1 基本概念石墨烯是由碳原子构成的二维原子晶体，其中相邻碳原子通过sp2杂化形成的σ键相连，未参与杂化的pz原子轨道相互重叠构成大π键.单层原子结构使石墨烯具有了独特的物理特性，包括载流子迁移率高达2×105cm2／（V·s），理想的单层石墨烯透光率为（97.6±0.1）%，杨氏模量高达（1.0±0.1）TPa等［3，22－23］.目前石墨烯一直是材料科学领域的研究热点之一.其他二维材料的相继出现丰富了二维材料家族，包括绝缘体（例如六方氮化硼（hBN）［24－25］）、半导体（带隙可调的MoS2［26］和WSe2［27］）和导体.这些材料都具有层状结构，层与层之间通过弱的范德华力结合在一起，而层内原子通过共价键结合在一起.因此，可以很容易地通过机械剥离成为单层或者少层的二维材料.异质结是由2种不同的半导体材料结合在一起形成的一种材料结构.根据形成异质结半导体导电类型，可以把异质结分为2种类型：1）同型异质结，即形成异质结的2种半导体材料具有相同的导电类型，例如N－N结、P－P结；2）反型异质结，即形成异质结的2种半导体材料具有不同的导电类型，例如P－N结.对于二维半导体材料来说，异质结在结构上又可以分为2种类型：1）平行异质结，即2种材料在水平方向上互相接触，形成异质结构；2）垂直异质结，2种材料在垂直方向上依次堆叠，形成异质结构，由于二维材料在垂直方向通过范德华力结合，因此，该异质结又被称为范德华异质结.二维垂直异质结构如图1所示［28］.石墨烯基二维垂直异质结是石墨烯和二维半导体材料在垂直方向上依次堆叠形成的异质结构.1.2 异质结特性把石墨烯和其他二维半导体材料层层叠加形成异质结后，由于二者之间存在的相互作用，使得异质结具有很多新奇的物理化学特性.1.2.1 能带结构和电学特性把石墨烯和其他二维材料堆叠构成的异质结将会产生新奇的电学性质［29－31］.例如Lee等［30］通过对比Gr和Au／Ti作为金属电极发现，当Gr作为电极时，MoS2晶体管不仅具有更好的欧姆或开路状态，而且还可以增强断路状态.作者认为，这是由于和金属相比，Gr作为电极时，会受到栅极的作用，从而可以调控Gr 的功函数造成的结果.当金属性的Gr、绝缘性的hBN和半导体MoS2依次堆叠构成异质结时，其电学特性将会发生明显变化.例如Jeong等［31］研究发现，Gr－hBN－MoS2异质结与MoS2－WSe2异质结相比，具有更加明显的整流效应和更大的电流.这是因为在p－i－n异质结中，载流子主要通过隧穿的形式通过材料的界面.如图2所示，当外加正向偏压时，电子从Gr利用隧穿效应穿过hBN进入MoS2.此时，电子和空穴的隧穿都比较容易，因此可以获得较大的电流.当外加反向偏压时，Gr中的空穴转移到MoS2时具有较高的势垒，因此电流很小.在Gr－hBN－MoS2异质结中，hBN的引入有效提高了正向电流，抑制了反向电流，从而提高了异质结的整流效应.这表明石墨烯基二维垂直异质结应用于超薄光电子器件中具有极大的潜力.1.2.2 光学特性例如Huo等［32］利用拉曼光谱（Raman）和光致发光光谱（PL）研究了石墨烯和WS2之间存在着强的层间耦合作用，并发现了明显的光致发光猝灭现象和声子模式的增强.复合系统也存在着栅极调控整流效应，整流比达到103.此外，研究人员还发现了增强的光开关效应，开关比达103.其中，在Gr－WS2异质结中，WS2的PL发生猝灭，这是因为被光激发后产生的电子－空穴对迅速转移至石墨烯中，并在石墨烯的狄拉克点处实现无辐射复合，从而导致了WS2的PL猝灭.除了Raman和PL光谱的性质发生变化外，Gr－WS2异质结还结合了p型Gr和n 型WS2的特性，呈现出双极性；并且可以通过栅极电压改变能带结构来调控开光比的大小.石墨烯和二维半导体形成异质结产生的新奇特性为将来在电子和光电子器件中的应用打下了基础.1.2.3 热学特性Gao等［33］利用广义非平衡分子动力学模拟与理论分析，系统地研究了Gr－MoS2异质结的热传导特性，指出了层间的内在晶格失配的影响.模拟结果显示，晶格失配软化声子模式，降低了石墨烯的热导率，而由于对MoS2层的影响很弱，因此很难改变MoS2的热导率，并且晶格失配可以通过外加拉伸应力缓解.自Dean等［34］首次制备Gr和hBN的二维垂直异质结以来，更多类型的基于二维材料的垂直异质结不断涌现［35－39］.其中，基于石墨烯的二维垂直异质结的研究最为广泛.为了充分探索其特性，研究者探索了不同的制备方法，并把石墨烯基二维垂直异质结应用到不同的领域，希望得到最优的材料组合、制备方法和器件结构.石墨烯以及其他二维材料的制备方法主要有机械剥离、液相剥离、物理气相沉积、化学气相沉积和水热法等［40－44］.而制备石墨烯基二维垂直异质结的方法主要可以分为机械转移法和直接生长法.制备过程示意图如图3所示.接下来将总结制备石墨烯基二维垂直异质结的自上而下的机械转移法和自下而上的外延生长法的研究进展，并分析各自的优缺点.表1总结了石墨烯基垂直异质结的制备方法及器件应用.2.1 机械转移法（自上而下）形成石墨烯基二维垂直异质结最直接的方法是机械转移法，机械转移法是通过机械的方法把其他二维材料和石墨烯通过转移进行依次堆叠，从而形成石墨烯／二维材料垂直异质结的方法.过程如图3（a）所示.机械转移法又可以细分为随机转移法和定位转移法2种类型.随机转移法是指在转移第2种材料到第1种材料时，是否构成异质结是随机性的.例如，Yu等［45］首先将铜箔上生长的石墨烯利用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）转移至Si／SiO2基底上，然后再随机地将MoS2通过微机械剥离的方法转移到石墨烯上，形成Gr－MoS2异质结.这种方法转移得到的异质结，可以保证2种材料之间界面的高质量，但是这种方法的成功率显然不是很高，且得到的异质结形貌无法控制.随后，Yu等［46］在上述技术的基础上改进了工艺，在石墨烯和MoS2转移过程中，利用电子束刻蚀技术对材料进行裁剪，得到规则的形状，制备了Gr－MoS2－Gr垂直异质结.这种利用电子束辅助转移的方法，有效解决了二维垂直异质结形状不规则的问题，保证了制备的异质结具有预期的功能性.除了利用微机械剥离的方法转移第2种材料以外，研究人员还探索了其他的转移方法.例如Zhang等［47］利用PMMA辅助的方法将生长在铜箔上的石墨烯转移到生长在Si／SiO2基底的MoS2上，形成MoS2－Gr异质结.这种方法简单有效，成为很多实验室研究人员制备二维材料异质结的方法之一［48－49］.随机转移法虽然操作简单，但是仍然存在以下不足之处：1）转移载体是机械强度差的聚合物薄膜，或者是不透明的胶带，无法实现精准的位置控制；2）转移过程中需要用到危险的化学药品（KOH、HF、FeCl3／HCl等）去除转移载体；3）转移载体无法完全去除，残留的聚合物分子会严重影响异质结界面的质量.因此，探索其他的转移方法将是下一步研究的方向之一.另一种机械转移法是定位转移法，这种方法是指在转移第2种材料到第1种材料时，可以根据需要而转移到指定位置.这种转移方法是在随机转移法的基础之上，通过增加一种机械强度高且透明的转移载体发展而来的.例如，Georgiou等［50］通过利用玻璃／PMMA作为转移载体的方法，制备了Gr－WS2异质结.这种转移方法还被其他研究人员用于制备Gr－MoS2异质结［51－52］.除了可以用玻璃作为附加转移载体以外，Bertolazzi等［53］采用了聚二甲基硅氧烷（PDMS）和PMMA双层聚合物作为转移载体，制备得到了Gr－MoS2异质结.此外，Lee等［54］探索了一种干法转移，即利用玻璃／PDMS作为转移载体，制备了Gr－MoS2异质结.这种转移方法不需要化学试剂除去载体，因此可以避免聚合物在二维材料表面的残留，保证二维材料异质结界面以及金属－半导体界面的高质量.最近，Choi等［55］又利用此种方法制备了基于α－MoTe2的全二维双栅极晶体管，把这种转移方法发挥到了极致，如图4所示.定位转移法相比较随机转移法而言，最大的优势在于可以实现二维材料转移过程中的精准定位，有利于未来基于二维材料异质结器件的图案化和集成.2.2 外延生长法（自下而上）机械转移法制备石墨烯基二维材料异质结的工艺虽然相对比较简单，在实验室基础研究阶段发挥重要的作用，但是无法满足工业生产中需要大量制备大尺寸异质结的要求.因此，寻求另外的制备方法就显得尤为重要.经过科学研究人员不断努力，通过原位直接外延生长法制备石墨烯基二维垂直异质结已经成为现实.外延生长法制备石墨烯基二维垂直异质结为未来器件的整合和自动化提供了可能.这种自下而上的石墨烯基垂直异质结制备方法主要包含了气相沉积法、水热法和分子束外延法. 气相沉积法生长二维材料异质结就是以一种二维材料作为基底，通过物理气相沉积（PVD）或者化学气相沉积（CVD）的方法原位地生长另一种二维材料，形成二维垂直异质结的方法.过程如图3（b）和（c）所示.早在2010年，Dang等［56］通过物理气相沉积技术在石墨烯基底上直接合成Bi2Se3，形成了Gr－Bi2Se3异质结.Shi等［57］通过低温化学气相沉积技术，以生长在铜箔上的石墨烯为基底，直接合成了Gr－MoS2异质结.研究人员采用四硫代钼酸铵高温分解反应合成硫化钼，有效避免了硫化过程中，硫蒸气和基底铜箔的反应，从而实现了在铜箔表面生长Gr－MoS2垂直异质结.这为今后石墨烯基异质结的生长、器件构筑和应用等方面提供了很好的借鉴作用.Lin等［58］首先在碳化硅表面生长石墨烯，然后通过化学气相沉积法分别在石墨烯表面生长MoS2、WSe2和hBN，得到了Gr－MoS2、Gr－WSe2和Gr－hBN异质结.这项研究工作为未来石墨烯基二维垂直异质结的直接气相沉积法制备铺平了道路.Shim等［59］通过化学气相沉积的方法，在转移到SiO2／Si基底的石墨烯上，直接合成了MoSe2，得到了Gr－MoSe2垂直异质结.该项研究工作再次丰富了石墨烯基二维垂直异质结家族.最近，Ago等［60］通过化学气相沉积法直接合成Gr－MoS2异质结，并利用三角形MoS2的方向确定作为基底石墨烯的方向，由此可以得到石墨烯多晶的晶粒结构和晶界，如图5所示.通过该项研究可以发现，气相沉积法制备石墨烯基二维材料异质结，不仅仅在材料制备方面发挥着重要作用，而且在材料结构研究方面同样也发挥着独特的作用.这对于今后的研究方向具有很大的借鉴意义.除了气相沉积法直接外延生长石墨烯基二维材料异质结之外，Liu等［61］通过分子束外延法在石墨烯表面合成了Bi2Se3，得到了Gr－Bi2Se3异质结.Xu等［62］通过水热法和冷冻干燥技术合成了Gr－WS2异质结.通过科学研究人员的不断探索，更多的直接制备石墨烯基二维垂直异质结的方法将不断被发现，为未来石墨烯基二维垂直异质结的应用打下坚实的基础.半导体光电子器件可以根据能量转换方式的不同分为2种类别，即基于光能转换为电能的光电探测器和光伏器件，以及基于电能转换为光能的发光二极管.前两者的物理机制是熟悉的光电效应，后者则是光电效应的逆过程.石墨烯基二维垂直异质结把石墨烯优异的导电性、光学特性和二维半导体材料的半导体特性结合起来，为在光电子器件中的应用提供了很好的基础.接下来将总结此方面的研究进展.3.1 光电探测器3.1.1 基本原理光电探测器是一种利用光电效应，把光信号转变为电信号的电子器件.到目前为止，基于石墨烯基二维垂直异质结的光电探测器大多数都是光电导探测器，光电导探测器的基本原理是半导体材料吸收入射光，当入射光子能量（Eph）大于半导体禁带宽度（Ebg）时，处于价带顶的电子吸收光子的能量后，可以跃迁至导带，同时在价带产生空穴，由此可以得到一对光生电子－空穴对.光生电子－空穴对的产生可以提高半导体中载流子浓度，从而提高半导体电导率.如图6所示［63］，可以看出，在光照条件下，光生载流子可以明显提高半导体的导电性，使得在相同的偏压下产生更大的电流.根据这种在入射光的作用下，电流发生明显变化的现象，可以通过检测电流的变化来感知光的变化.为了衡量光电探测器的优劣，需要有一系列的指标进行评价.通常情况下，对光电探测器的评价指标主要有响应率、探测率、响应光谱范围、响应时间等.3.1.2 石墨烯基二维垂直异质结的优势二维材料作为最近十几年新发展的材料，和传统的三维块体材料相比具有很多优势.首先，以石墨烯为代表的二维材料因为具有原子级别的厚度，因此具有很好的光透过能力，在透明光电子器件方面具有很大的应用潜力；同时，由于二维材料自身的结构特性，还具有强光质相互作用，因此二维材料在具有透明特点的同时还具有较大的光吸收能力［64－65］.其次，二维材料因为自身晶体结构的特性，具有很好的可拉伸性能，且可以通过应力实现对其光电性能进行调控，因此在柔性光电子器件和可穿戴器件等领域同样具有很大的优势［66－68］.与传统的硅基光电探测器相比，基于二维材料的光电探测器具有透明、柔性、可穿戴等特点.石墨烯基二维异质结的构造有平行异质结和垂直异质结2种方式，这2种异质结构在作为光电探测器时具有不同的工作原理和特点.平行异质结的光电探测器中载流子主要以扩散和漂移的形式通过沟道，因此沟道的长度对于器件的性能有很大影响；而在垂直异质结的光电探测器中，由于异质结是有原子级厚度的材料形成，沟道长度达到原子级，且载流子主要以隧穿的形式通过沟道，这有助于提高光电探测器的性能.例如Yu等［69］研究了Gr－MoS2－Gr垂直异质结的光电流收集行为，如图7所示.研究发现，对于Gr－MoS2－Gr垂直异质结体系而言，由单层MoS2构成的异质结与7层MoS2构成的异质结相比，具有更加高效的光电流收集效率.单层MoS2的内量子效率可以达到65%，而7层MoS2的内量子效率只有7%.研究人员发现，在Gr－1L－MoS2－Gr异质结中，光生载流子是以隧穿的形式通过不对称的静电势垒，根据隧道输运模型计算表明，与7层MoS2相比，单层MoS2具有最高的光生载流子收集效率.综上所述，石墨烯基二维垂直异质结在光电子器件的应用中具有很大的优势.3.1.3 异质结构和器件石墨烯因其具有高的光透过率、零带隙等特点，直接作为光电探测器时不具有明显优势.但是石墨烯和其他二维半导体材料结合形成的异质结可以很好地利用石墨烯的特点，从而提高光电探测器的性能.在石墨烯基二维垂直异质结在光电导探测器中的应用中，可以利用石墨烯的高导电性.例如Tan等［70］利用石墨烯作为电极，制备了Gr－WS2－Gr异质结超薄光电探测器，如图8（a）所示，其在入射光能量密度为2.5×107mW／cm2的条件下，光响应度可以达到3.5 A／W.研究发现，利用石墨烯作为光电探测器的电极，明显不同于传统的金属电极.这是因为在石墨烯的狄拉克点处态密度是有限的，通过改变栅极电压和提高入射光功率可以降低石墨烯电极和WS2之间的肖特基势垒，从而提高Gr－WS2－Gr光电探测器的响应度.此外，石墨烯作为零带隙的材料，理论上可以对所有的光产生吸收.因此，将石墨烯和其他二维半导体材料组合，构成的异质结构可以实现制备宽光谱范围响应的光电探测器.Long等［71］把n－MoS2、Gr和p－WSe2依次堆叠制备了p－g－n异质结光电探测器，其可以实现在室温下对可见光和近红外光的有效探测.这种异质结构的设计，可以有效地摆脱低探测率和大能耗的限制.如图8（c）所示，基于MoS2－Gr－WSe2异质结构的光电探测器在400～2 400 nm的波长范围内具有较好的响应率和探测度.通过图8（d）的分析可以看出，正是由于石墨烯的存在，在近红外光波段，光子能量不足以激发半导体材料的电子和空穴产生时，石墨烯材料中被激发产生的电子和空穴会转移至n型的MoS2和p型的WSe2中，从而实现对红外光的探测.另外，由于石墨烯属于半金属材料，因此在和其他二维半导体材料形成异质结时，会在2种材料的界面处产生内建电场，有利于光生电子和空穴的分离［29］.Zhang等［72］制备了Gr－MoS2异质结光电探测器，如图8（b）所示，获得了超过108的光增益.光照的条件下，在MoS2内产生光生电子和空穴，其中光生电子会更倾向于注入到石墨烯中.分析原因认为，在石墨烯和MoS2的界面处存在3种附加电场，包括内建电场、外加电场和带电杂质或吸附物质产生的电场，这3种附加电场叠加形成最终的有效电场，其方向始终是由石墨烯指向MoS2.在有效电场的作用下，MoS2中的光生电子会注入到石墨烯中，有效提高了光生电子和空穴的分离效率.3.2 光伏器件光伏器件最主要的应用就是太阳能电池.在太阳能电池中，由2种不同导电类型的半导体组成P－N结，在结区存在内建电场，可以驱动电子进入外电路，在电路中形成电压和电流.对于太阳能电池材料来说，最重要的特性之一就是具有较强的光吸收能力.在二维材料家族中，过渡金属硫化物（TMDS）是一类具有非常强的光吸收能力的材料.Britnell等［73］研究发现，过渡金属硫族化合物电子态密度中存在的范霍夫奇异点可以增强光质相互作用，从而增强光的吸收和电子空穴对的产生.这种特性可以使得制备的柔性的光伏器件的光响应度超过0.1 A／W，表观量子效率可以超过30%.这就为二维材料应用于光伏器件中提供了很好的基础.对于石墨烯基二维垂直异质结来说，石墨烯和其他二维材料的组合，特别是和过渡金属硫化物的组合，形成垂直异质结以后，在光伏器件领域仍然具有很好的应用潜力.Bernardi等［74］通过理论计算表明，对于MoS2、MoSe2和WS2材料来说，小于1 nm厚的单原子层薄膜可以吸收入射太阳光的5%～10%，这种光吸收效率要比传统的GaAs和Si材料高1个数量级，还研究了基于Gr－MoS2异质结的肖特基太阳能电池和基于MoS2－WS2异质结的激子太阳能电池，如图9（a）和（b）所示.1 nm厚的材料可以获得约1%的能量转化效率，这几乎是现存最好的薄膜太阳能电池的能量密度的1～3个数量级.这项工作为石墨烯基垂直异质结在光伏器件领域的应用提供了很好的理论支持，同时，让更多研究者看到了把石墨烯基垂直异质结应用到光伏领域的曙光.除了理论的研究和预测之外，已经有研究者把石墨烯基二维垂直异质结应用到了光伏领域.例如Shanmugam等［75］制备了基于Gr－WS2异质结的肖特基太阳能电池.其制备的太阳能电池能量转换效率可以达到3.3%.并讨论了不同石墨烯厚度作为肖特基接触电极的作用.研究发现，相比较于单层和双层石墨烯，3层石墨烯由于具有更好的电导率，以及可以更有效地抑制暗电流，而具有更优异的光伏性能.此外，Yu等［46］研究了基于Gr－MoS2－Gr异质结的光伏效应，如图9（c）和（d）所示.研究发现，其外量子效率最高可达55%，内量子效率最高可达85%. 石墨烯基二维垂直异质结除了可以构筑肖特基结光伏器件之外，在染料敏化太阳能电池中也可以作为对电极，表现出很好的催化作用［76－78］.Lin等［78］利用电泳沉积法制备了透明MoS2－Gr纳米片异质结薄膜，并把其应用在染料敏化太阳能电池中作为对电极.染料敏化太阳能电池的能量转化效率可以达到传统Pt电极转化效率的93%.该项研究证实MoS2－Gr异质结有望作为Pt的替代材料，从而。
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突破：二维半导体异质结研究获新进展
最近，中科院半导体所超晶格国家重点实验室博士生康俊，在李京波研究员、李树深院士和夏建白院士的研究团队中，与美国劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)汪林望博士研究组合作，在二维半导体异质结的基础研究中取得新进展。
相关成果发表在2013年9月30日美国化学学会主办的《纳米快报》(NanoLetters)上。
半导体异质结是由不同半导体材料接触形成的结构。
由于构成异质结的两种半导体材料拥有不同的禁带宽度、电子亲和能、介电常数、吸收系数等物理参数，异质结将表现出许多不同于单一半导体材料的性质。
在传统半导体领域，以半导体异质结为核心制作的电子器件，如光电探测器、发光二极管、太阳能电池、激光器等，往往拥有比单一半导体材料制作的同类器件更加优越的性能。
近年来，以二维二硫化钼(MoS2)、二硒化钼(MoSe2)为代表的新型二维半导体材料迅速成为材料科学领域的研究前沿。
这类半导体的厚度仅为数个原子，并且有望成为新一代电子器件的二维平台。
将不同的二维半导体层堆积起来便形成了二维半导体异质结，而这类异质结中的新奇物理现象也成为了目前国际纳米科学研究的一个焦点。
在这种背景下，半导体所与LBNL的研究小组应用第一性原理计算，研究了二维MoS2/MoSe2异质结的结构和电子性质。
二维MoS2和MoSe2单层存在4.4%的晶格失配。
通过对应变能和结合能的计算发现，它们之间范德瓦尔斯结合作用的强度不足以消除这一失配形成晶格匹配的异质结，而是形成一种被称为莫氏图样(MoiréPattern)的结构。
在莫氏图样中，不同区域的MoS2和MoSe2的堆积方式也不同，进而导致不同区域的层间耦合作用及静电势不同，这将会对异质结的电子结构产生显著影响。
为了进一步探索莫氏图样。