1.研究的背景和意义

由于化学能源有限，而且带来各种环境问题，太阳能作为安全无污染的新型能源受到了世界各地的广泛关注^[9]。尽管它的应用前景已被广泛接受，但因其传统核心材料较小的光谱响应范围和较低的太阳光利用率使其在实际应用中面临诸多挑战。半导体同质结和异质结是现代半导体器件的重要组成部分，如晶体管、光电探测器、光发射二极管、太阳能电池和激光二极管^[4]。由于存在严重的短通道效应、隧道效应和热逃逸等问题，传统半导体器件的小型化已接近极限^[10]。解决这个问题的一个方法是发展原子薄的半导体异质结。^[1]石墨烯和二维过渡金属双硫化物(TMDs)具有优异的电子、光学和机械性能，在过去几年引发了半导体材料的一场革命^[16]。

高质量的过渡金属二硫代化物薄膜及其范德华异质结构以其优异的光电性能、优异的带隙和优异的光吸收能力，^[3]具有极高的柔韧性和较长的使用寿命，在光电器件的制备中具有广阔的应用前景。^[4]设计合适的带结构对这些材料的应用前景至关重要。特别是在广谱光探测器和光伏打应用中，二硫化钼薄膜与单层膜相比更具吸引力^[2]。然而，对于二硫化钼薄膜光响应行为背后的物理学基础知之甚少。在这里，我们展示了一个巨大的光伏响应在薄MoS₂薄膜产生一个巨大的光产生载体和增强光电电流形成一个异质结与p型硅衬底。基于MoS₂的光伏器件能高效地产生18ma /cm²的高短路光电流值，并能合理地产生高达4.5%的高功率转换效率。

过渡金属双硫化物(transi- metal dichalcogenides, TMDs)是二维(2D)纳米材料，常用公式为MX ₂，其中M为过渡金属，从第IV组到第VII组(M = Mo, W, Nb, Re等)，X为硫族(X = S, Se, Te)^[11]。一般情况下，M个原子被夹在X个原子之间形成单层，每一层由范德华力、叠加在一起，使得二维TMDs容易被透明胶带等类似技术切割。在超薄层TMD家族中，二硫化钼(MoS ₂)和二硒化钨(WSe ₂)是著名的带隙大于1ev的半导体;对于单层膜，它们的带隙增加到约1.6 -1.8 eV，并且带特性由间接类型变为直接类型,研究表明，电场对带隙也具有影响^[13]。与石墨烯相比，过渡金属二物(如MoS₂、WSe₂和WS₂)表现出非常吸引人的光电特性，如观察到独特的山谷极化光学响应、在宽波长范围内具有非常好的光吸收以及快速的光响应。有趣的是，与较厚的GaAs半导体相比，一层厚度小于1纳米的半导体过渡金属二硫代化物可以吸收大量的阳光，并产生更多的光电流。因此，与石墨烯相比，半导体过渡金属双硫化物由于其优异的化学稳定性、良好的机械柔韧性、较低的生产成本和耐久性，极有可能进一步成为光伏有源材料。双硫族化合物为与其他二维材料良好设计的界面提供了合适的电子和光学性能，使其能在极低的悬垂键和电荷阱的面积密度下形成优良的异质结和界面。^{[7][12][14][15]}

2.研究现状

最近的研究集中在通过制造异质结构来利用不同金属二硫化物2D材料的各自特性，异质结构是范德华力将不同2D材料垂直堆积在一起的结构。截至目前,^[8]如何制备出大面积、高质量的石墨烯、MoS₂及其异质结构仍然是制约其应用发展的重要因素,这是因为高性能的光电子器件制备需要高质量、低缺陷以及大面积的二维层状材料。近十几年以来,科研工作者们探索了不同的制备方法,以期获得高质量的二维层状材料,并取得卓有成效的进展。

^[8]2015年薛云洲等人展示了通过热还原硫化工艺可扩展生产少层WS₂，MoS₂及其垂直异质结阵列的周期性图案。在该方法中，开发了两步化学气相沉积方法以有效地以不可预测的方式防止TMD的相混合，从而在垂直维度上提供WS₂和MoS₂ 之间的明确界面。结果，可以生产具有所需尺寸和密度的大规模周期性阵列的少层WS₂，MoS₂及其垂直异质结。基于生产的MoS₂/WS₂的光电探测器制作了垂直异质结阵列，激发波长为450nm时，证明光响应系数高达2.3A/W。使用MoS₂/WS₂ 异质结阵列的柔性光电探测器装置也被证实合理的信噪比。该工作中的方法也适用于其他TMD材料，并且可以开发出大规模生产各种垂直范德华异质结的可能性，朝向光电应用。

^[6]2016年雷烨等人展示了一种具有可见到近红外探测范围的光电探测器，它基于由几层黑色之间的范德瓦尔斯组件制造的磷（BP）和少量二硫化钼（MoS₂）异质结。具有可通过栅极电压电调谐的电特性的异质结实现了具有正向 - 反向偏置电流比的宽范围的电流整流行为超过1000。光电探测器的光响应性（R）在λ= 532nm处测量为约22.3A/W并且在λ=1.55μm处具有153.4mA/W，具有微秒响应速度（15μs）。另外，其特定检测率D*被计算为在λ=532nm处具有3.1#215;1011琼斯的最大值，而在室温下在λ=1550nm处具有2.13#215;109琼斯。同年，^[5]曹国阳等人采用原子级薄的MoS₂/WSe垂直以异质结为例，提出了一种全面的光电模拟，考虑了光捕获以及内部载流子生成/传输/收集过程。光电模拟提供了研究极薄光电器件的多域响应的便利方式。基于仿真技术，研究了能量图、耗尽区、内部电场分布、载流子分布等。此外，还提出了一种金属腔耦合设计，用于原子级薄的MoS₂/WSe₂器件，它具有显着改善的光吸收，更高的光电流和更高的光转换效率。

3.小结

可以预测，过渡金属二硫化物薄膜形成异质结可能在光催化、太阳能电池、超级电容器等领域有潜在的应用前景，也希望该课题能为今后的相关研究提供新的方向。