發布日期：2025-01-10 浏覽次數：
供稿：凝聚态物理與材料物理研究所 |
編校：時暢 |
編輯：陳偉華 |
審核：楊學林
beat365官方网站量子材料科學中心王恩哥院士、凝聚态物理與材料物理研究所劉開輝教授、洪浩特聘副研究員、劉暢特聘副研究員與合作者在二維極性材料自發光伏領域取得重要進展。研究團隊成功制備了高質量雙面神極性二維材料MoSSe并構建了自發光伏光電探測器，可以實現高效（3 mA/W）、超快（50 ps）的光電流探測，是目前最薄的自發光伏器件。雙面神極性二維材料自發光伏光電探測器有望在新一代高性能、高集成度以及柔性光伏和光電子器件領域帶來重要應用。2025年1月9日，相關研究成果以“雙面神MoSSe材料中的反常光伏效應”（Anomalous photovoltaics in Janus MoSSe monolayers）為題，在線發表于《自然·通訊》（Nature Communications）。
反常光伏效應是一種自發光伏效應，通常發生在中心反演對稱性破缺的晶體材料中。與傳統的光伏效應不同，反常光伏效應不需要p-n結來分離光生載流子，因此效率有望突破Shockley-Queisser極限。反常光伏效應通常較弱，通過減薄極性材料厚度可以促進光生載流子分離，增強材料内部的退極化電場，實現反常光伏效應的有效增強。二維材料具有原子級極限厚度，同時，通過表面修飾或者界面堆垛可以調控材料的對稱性，是研究反常光伏效應的理想體系。
研究團隊利用硫族單原子供應制造方法成功将二維過渡金屬硫族化合物（MoS2）一側的S原子進行選擇性Se替換，合成了具有鏡面對稱性破缺和反演對稱性破缺的雙面神材料MoSSe。MoSSe是目前最薄的縱向自發極化材料，不需要精确控制多層結構和層間堆疊，在單層中即可産生顯著的自發光伏效應。實驗中，研究團隊構建了石墨烯/MoSSe/石墨烯光電器件，器件的光響應高達3 mA/W，對應外量子效率約為1%，是目前單位厚度下最高光響應度的原型自發光伏器件。同時，MoSSe光電器件表現出超快的光電流響應，響應時間可達50 ps，帶寬約11 GHz。本工作為二維自發光伏器件提供了全新的材料體系，将推動未來高頻響、高集成的柔性光電器件和自驅動光電探測技術的發展。
圖1. a-b, Janus MoSSe單層結構及自發光伏器件示意圖。c,器件能帶和光生載流子轉移過程示意圖。光電流方向與極化方向相反。d, MoSSe雙層和MoS2雙層光電器件的響應對比。e,光電流響應随激發波長的變化。
劉暢，beat365官方网站本科生梁天宇、博士生隋鑫，首都師範大學講師杜樂娜為論文共同第一作者；王恩哥，劉開輝和洪浩為論文共同通訊作者。論文合作者還包括beat365尹建波研究員、芬蘭阿爾托大學孫志培教授等。
研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、騰訊基金會探索獎等相關項目及beat365人工微結構與介觀物理國家重點實驗室、輕元素先進材料研究中心與松山湖材料實驗室等的大力支持。
論文原文鍊接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-55623-x
