曹奕達(dá)

（衡水中學(xué)，河北衡水，053000）

二維半導(dǎo)體光電性質(zhì)與器件研究進(jìn)展簡(jiǎn)述

曹奕達(dá)

（衡水中學(xué)，河北衡水，053000）

二維半導(dǎo)體材料，如過(guò)渡金屬硫族化合物，以其在光電器件方面展現(xiàn)出的獨(dú)特性能與巨大潛力，成為后摩爾時(shí)代有極大發(fā)展前景的新半導(dǎo)體材料。二維材料具有獨(dú)特的光電性質(zhì)，如直接帶隙的電子結(jié)構(gòu)，谷自旋電子學(xué)特性，強(qiáng)激子效應(yīng)等，而利用以上性質(zhì)，此類材料可用于光探測(cè)器、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、高效微納傳感器、光電子電路等微納光電器件中。因此，以過(guò)渡金屬硫族化合物為代表的二維半導(dǎo)體材料無(wú)論在基礎(chǔ)科學(xué)與未來(lái)應(yīng)用方面，都是重要的備選材料。

二維材料； 過(guò)渡金屬硫族化合物； 光電器件； 石墨烯

0 引言

二維材料是由單原子層或多層原子組成的平面晶體結(jié)構(gòu)材料，其性質(zhì)與塊體材料有著極大的不同，有著特殊的物理化學(xué)性能，如圖1所示。[1]自2004年，科學(xué)家用機(jī)械剝離的方法制備了單層石墨烯，石墨烯便成為最先受到人們重視的二維材料。由于石墨烯導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、機(jī)械性能性能良好，有很高的載流子遷移率、熱導(dǎo)率，其在透明電極，鋰離子電池，太陽(yáng)能電池電極、薄膜晶體管、透明顯示觸摸屏等有很多潛在應(yīng)用。但是石墨沒(méi)有帶隙，這嚴(yán)重限制了其在光電器件領(lǐng)域的應(yīng)用，而層狀二維半導(dǎo)體，如過(guò)渡金屬二硫族化合物（二硫化鉬、硫化鎢等）克服了石墨烯沒(méi)有帶隙的缺點(diǎn)，并保持了柔性、光電相互作用強(qiáng)、原子級(jí)厚度等優(yōu)點(diǎn)，有望發(fā)展成為可取代硅的下一代新型半導(dǎo)體材料，在光電器件、吸附與分離、催化等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。

圖1 石墨烯（左）與二硫化鉬（右）示意圖

1 二維半導(dǎo)體光電性質(zhì)簡(jiǎn)介

二維材料種類很多，以單層過(guò)渡金屬二硫族化合物為例，它是兩層鹵族元素夾一層過(guò)渡族金屬元素組成的三明治結(jié)構(gòu)。[2]此種單層材的能帶結(jié)構(gòu)與塊體有著很大不同。事實(shí)上，在費(fèi)米面附近的電子結(jié)構(gòu)則決定了材料的光電特性，而此單層材料在能帶中的K點(diǎn)與K’點(diǎn)簡(jiǎn)并，由于反演對(duì)稱性的破缺與自旋軌道耦合，使得不同的能谷與贗自旋自由度產(chǎn)生耦合。由于有以上的特殊性質(zhì)，其磁、光、電性質(zhì)獨(dú)特，對(duì)于左旋、右旋的圓偏振光將有不同的響應(yīng)，還可以觀測(cè)到谷霍爾效應(yīng)。

二維材料的可見、紅衛(wèi)光吸收特性主要被能帶的直接帶隙決定[2][3]，通過(guò)吸收光譜，可以觀測(cè)到除直接帶隙吸收之外的激子吸收特征峰，用此方法，在室溫下可以觀測(cè)到不同于塊體材料高達(dá)幾百毫電子伏的激子束縛能級(jí)，并且甚至可以觀測(cè)到更高階的準(zhǔn)粒子態(tài)。而此類材料除了極大的激子束縛能之外，還有強(qiáng)激子吸收，強(qiáng)電子光子相互作用與短輻射壽命，這都為新一代光子學(xué)、光電器件提供了新發(fā)展方向。

2 二維半導(dǎo)體光電器件應(yīng)用介紹

基于二維材料實(shí)用光電器件，正在蓬勃發(fā)展，如特種的光電探測(cè)器，激子光電二極管，自旋谷電流光發(fā)生器等。對(duì)于光探測(cè)器，二維材料的波長(zhǎng)響應(yīng)與傳統(tǒng)硅光電探測(cè)器有相似之處，但是其性能仍不能與已經(jīng)成熟的硅器件相競(jìng)爭(zhēng)，然而，由于此種材料良好的機(jī)械性能與可調(diào)節(jié)的電學(xué)特性，使得它在未來(lái)柔性、可穿戴光電器件，激子可調(diào)節(jié)器件與自旋谷激光器方面潛力無(wú)限。

對(duì)于光電探測(cè)器，其光電探測(cè)、光譜、成像功能在民用、通信、安保、軍事領(lǐng)域有巨大的需求，而二維新材料則有著獨(dú)特的性能特點(diǎn)。光電探測(cè)原理分為光電導(dǎo)與光伏等多種情況，光電導(dǎo)原理是根據(jù)內(nèi)光電效應(yīng)，利用高于材料帶隙能量的光子產(chǎn)生的非平衡載流子，提高了材料的導(dǎo)電性，改變材料電阻，探測(cè)到光電流信號(hào)，見圖2。光伏效應(yīng)則是利用材料本身內(nèi)在電場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)光生載流子，而產(chǎn)生電流信號(hào)。

圖2 二維材料平面內(nèi)探測(cè)器示意圖與光導(dǎo)器件原理圖

二維材料的特殊之處則是因?yàn)樗挥幸粋€(gè)原子層的厚度，可以很容易的被靜電改變性質(zhì)，并調(diào)節(jié)其光響應(yīng)特性。利用二維材料，可以制作面內(nèi)或面外的探測(cè)器。最近的研究結(jié)果表明，硒化鎢面外探測(cè)器的響應(yīng)速度可以達(dá)到10皮秒，可成為高速光電探測(cè)器，而利用二硫化鉬晶體管做成的探測(cè)器的響應(yīng)率可以達(dá)到880安培/瓦，成為高響應(yīng)探測(cè)器。

除光電探測(cè)器，利用二維材料還可以制備激子發(fā)光二極管。發(fā)光二極管的原理是基于肖特基結(jié)或pn結(jié)，用電子與空穴的注入，在結(jié)區(qū)復(fù)合，產(chǎn)生電致發(fā)光。利用此種材料，已經(jīng)有外量子效率達(dá)10%的發(fā)光二極管問(wèn)世。同時(shí)利用二維材料的能谷自由度，還可以制成手性可調(diào)的發(fā)光二極管，當(dāng)施加相對(duì)于晶格不同方向的電壓時(shí)，會(huì)有偏振度與手性可調(diào)的圓偏振光產(chǎn)生，原理如圖三。此種電致發(fā)光，可以在未來(lái)的通信、信息處理領(lǐng)域，產(chǎn)生更為重要的影響與推動(dòng)。

在激光器應(yīng)用領(lǐng)域，二維材料也有其特有的性能特征。因?yàn)閷⑵渲糜谖⒓{光腔中將會(huì)極大的增強(qiáng)光電相互作用，使增益介質(zhì)的性能提高，受激輻射最低閾值大幅降低。最近的研究表明，利用只有1瓦特/平方厘米的連續(xù)激光器泵浦，即可產(chǎn)生激光。[2] [4]利用二維材料，不僅可以制作低閾值激光器，還可以做量子點(diǎn)單光子發(fā)射器。量子點(diǎn)單光子發(fā)射器以其長(zhǎng)激發(fā)態(tài)壽命，長(zhǎng)自旋態(tài)相干時(shí)間令其在未來(lái)量子計(jì)算機(jī)中，成為極有潛力的基礎(chǔ)材料，而二維硒化鎢界面材料中的某些缺陷態(tài)則符合以上量子計(jì)算的基本要求。相比于其它系統(tǒng)，二維材料缺陷態(tài)的可調(diào)節(jié)性，可集成性更強(qiáng)，這為量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)提供了重要的備選系統(tǒng)材料。

3 結(jié)語(yǔ)

雖然二維材料在光電器件有著諸多潛在的未來(lái)應(yīng)用，而同時(shí)也面臨諸多挑戰(zhàn)。[5]如其光導(dǎo)器件的探測(cè)原理，激子分離等物理過(guò)程還有待進(jìn)一步探索，且高質(zhì)量的、高量子產(chǎn)率的材料制備，大規(guī)模高質(zhì)量且均勻的塊體、薄膜材料制備，都是未來(lái)二維材料走向應(yīng)用過(guò)程中，需要解決的問(wèn)題?？傊?，在未來(lái)的二維材料領(lǐng)域，挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存，在走向大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用的道路還依舊漫長(zhǎng)，但在未來(lái)后硅基器件的時(shí)代，此類材料將會(huì)扮演越來(lái)越重要的角色。

[1]Konstantin S. Novoselov, Graphene: The Magic of Flat Carbon, The Electrochemical Society Interface ? Spring 2011

[2]Kin Fai Mak and Jie Shan, Photonics and optoelectronics of 2D semiconductor transition metal dichalcogenides, Nature Photonics 10, 216–226 （2016）

Research progress of two dimensional semiconductor optoelectronic properties and devices

Cao Yida
（Hengshui High School，Hengshui Hebei,053000）

two dimensional semiconductor materials, such as transition metal chalcogenides, with its unique performance show great potential in the field of optoelectronic devices, a new semiconductor material Moore era has great prospects for development. The two-dimensional material has unique photoelectric properties, electronic structure such as direct bandgap, valley spintronics characteristics, strong exciton effect, while using the above properties, such materials can be used in optical detector, field effect transistor, high efficient micro nano sensor, optoelectronic circuit micro nano optical devices. Therefore, twodimensional semiconductor materials represented by transition metal sulfides are important candidate materials in basic science and future applications.

two-dimensional materials; transition metal chalcogenide; optoelectronic devices; graphene

圖3 手性可調(diào)的發(fā)光二極管示意圖與發(fā)射光譜