二維材料是一類新興的材料，具有廣泛的電性能和潛在的實際應用。雖然石墨烯是研究最深入的二維材料，但其他材料的單層，如絕緣的硼氮化物（BN）和半導體的MoS2或WSe2，作為場效應晶體管的應用中已受到越來越多的關(guān)注。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院（EPFL）電氣工程系的Andras Kis教授（負責管理納米電子和結(jié)構(gòu)實驗室）與生物工程學Aleksandra Radenovic教授（管理納米生物學實驗室），早在2013年就在Nature Nanotechnology期刊中發(fā)表了一篇「Ultrasensitive photodetectors based on monolayer MoS2」文章，重點介紹單層MoS2。由于量子力學的限制，它是具有直接能隙的半導體，并探討它在光電子裝置中，特別是光伏電池中的應用潛力。
單層MoS2具有六角結(jié)構(gòu)，其中一個鉬原子夾在兩個硫原子之間。單層MoS2在布里渡（Brillouin）區(qū)域的K點處具有約1.8電子伏特的能隙，適合吸收可見光。單層MoS2可以吸收能隙以上的能量中的10%入射光。此外，單層MoS2由于直接能隙轉(zhuǎn)換而表現(xiàn)出強烈的光致發(fā)光，其增強后的效果相對于體材料高出1000倍。然而，單層MoS2的光致發(fā)光量子產(chǎn)率仍然很低，約為0.4％，這限制了它作為光發(fā)射器的效率。
本研究研究了不同的前沉積表面處理和接觸材料對光響應衰減的影響。發(fā)現(xiàn)不同的表面清潔處理可以減少衰減時間。這可以通過功能化SiO2表面的親疏水性差異來解釋。使用不同的生長技術(shù)，如濕法氧化和干法氧化來沉積SiO2，可以進一步降低特征衰減時間τdecay。我們使用如下的SiO2表面處理方法進行微機械剝離前的處理：KOH - SiO2基片在室溫下用30% KOH溶液浸泡30分鐘。然后用270W的RF功率進行20分鐘的O2等離子體處理，最后進行剝離。Piranha - SiO2基片在piranha清潔液（H2SO4:H2O2 3:1）中浸泡45分鐘。然后用270W的RF功率進行20分鐘的O2等離子體處理，最后進行剝離。HF - SiO2基片在2毫升50%甲酸中和70毫升去離子水中浸泡30秒。然后用270W的RF功率進行20分鐘的O2等離子體處理，最后進行剝離。使用不同的接觸金屬，如Ti/Au（10/50nm）或Cr/Au（10/50nm），可以進一步減小衰減時間，但以犧牲光響應靈敏度為代價，低的衰減時間τdecay為320毫秒，采用Cr/Au接觸和濕法氧化生長的SiO2器件。
另一方面，單層MoS2作為光吸收劑和光催化劑顯示出很大的潛力。最近的研究表明，具有提高的器件遷移率和開路電流的超敏單層MoS2光電晶體管已經(jīng)被成功實現(xiàn)。該器件在561納米波長下表現(xiàn)出880安培每瓦特的最大外部光響應度，這與其他二維材料報導的最佳數(shù)值相當。高的響應度歸因于單層MoS2在光激發(fā)下高效產(chǎn)生和分離電子-空穴對。
另一個令人興奮的應用是單層MoS2在光伏電池中，它可以與有機或無機材料形成II型異質(zhì)結(jié)。II型異質(zhì)結(jié)是兩種具有不同能帶對齊的材料之間的結(jié)界，其中一種材料的導帶低點高于另一種材料的，而價帶最高點則低于另一種材料的。這樣形成的鏈接具有交錯的能帶對齊，有利于電荷在結(jié)界上的分離和輸送。例如，單層MoS2可以與PTB7這種有機聚合物形成II型異質(zhì)接面，PTB7在有機太陽電池中被廣泛應用作為施體材料。該異質(zhì)結(jié)顯示出相互的光致發(fā)光熄滅和光伏效應，表明兩種材料之間的電荷轉(zhuǎn)移高效率。異質(zhì)結(jié)的內(nèi)部量子效率在整個光吸收層厚度低于20納米時超過40％，使其相對于其他有機和無機太陽能電池而言具有出色的吸光厚度的電流密度。
此外，單層MoS2還可以被摻雜以調(diào)整其電子結(jié)構(gòu)并增強其光催化活性。例如，p型摻雜可以在單層MoS2的能帶間隙中引入受體能級，這些能級可以作為電子陷阱，增加光產(chǎn)生的空穴的壽命。這可以改善可見光照射下單層MoS2的氫發(fā)生反應。此外，摻雜還可以調(diào)節(jié)單層MoS2的能帶間隙和能量水平，與異質(zhì)結(jié)中的其他材料相匹配。
總之，單層MoS2是一種多功能的二維材料，在光電子裝置中，特別是光伏電池中具有許多潛在應用。其直接能帶允許高吸收系數(shù)和在光激發(fā)下高效的電子-空穴對生成。它還可以與其他材料形成II型異質(zhì)結(jié)，實現(xiàn)電荷和過接面的傳輸。此外，它可以被摻雜以改變其電子結(jié)構(gòu)并增強其光催化活性。最近對包括液態(tài)剝離和化學氣相沉積生長等大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，顯示出基于MoS2的集成光電子電路、光敏感、生物醫(yī)學成像、視頻記錄和光譜學中的應用潛力。
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