能帶對準(zhǔn)工程是促進(jìn)光電子器件中電荷分離和轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵，它最終決定了基于范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)（vdWH）的光電探測器和發(fā)光二極管（LED）的行為。然而，vdWHs中的帶隙對光電器件重要性能指標(biāo)的影響還沒有得到系統(tǒng)的分析。本文通過化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)，研究了WSe
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2Te
3-xSe
x-vdWHs（0≤x≤3）中能帶取向的調(diào)控。實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果表明，合成的VDWH可以從I型（WSe
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3）逐漸調(diào)諧到III型（WSe
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3）。隨著能帶排列由I型向III型轉(zhuǎn)變，vdWHs基光電探測器的響應(yīng)率（58.12 a W
−1）和探測率（2.91×10
12 Jones）（I型）顯著降低，超快光響應(yīng)時間（III型）為3.2µs。此外，III型vdWH基LED在室溫下的亮度和電致發(fā)光（EL）外量子效率（EQE）在基于過渡金屬二鹵化物（TMD）的p-n二極管中最高，這歸因于帶排列誘導(dǎo)的不同界面電荷注入。本工作為基本能帶對準(zhǔn)原理在未來光電子器件設(shè)計(jì)和制造中的應(yīng)用和擴(kuò)展提供了有價值的參考。
圖1. WSe
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x VDWH的制造工藝示意圖，具有不同的帶排列。a-c）WSe
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x vdWHs生長的兩步CVD策略。d） WSe
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x vdWHs原子模型的側(cè)視圖。e） WSe
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x-vdWHs（x=0、1.6和3）的原子分辨率HAADF干細(xì)胞圖像，白色虛線突出顯示周期性重復(fù)的moiré細(xì)胞。比例尺為1 nm。插入顯示相應(yīng)的FFT模式。標(biāo)尺為2 nm
−1。f） Te和Se的EDS元素映射圖像（x=0、1.6和3）。比例尺為500 nm。
圖2. 不同硒含量WSe
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3-xSe
x vdWHs的表征。一系列組分可調(diào)的WSe
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x-vdWHs（x從0到3）的a-c）XPS、d）XRD和e）Raman光譜。f） 不同硒含量的WSe
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3-xSe
x vdWHs的二維拉曼和XRD譜圖。
圖3. WSe
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3-xSe
x-vdWHs的能帶對準(zhǔn)。a） 來自UPS的WSe
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3-xSex vdWHs的導(dǎo)帶、費(fèi)米能級和價帶。b） HOPG襯底上WSe
2和Bi
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3-xSe
x（0≤x≤3）的KPFM表征表明在x=0、0.8、1.6、2.2和3時收集的Bi
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3-xSe
x合金納米片的接觸電位差和功函數(shù)的演化，插入顯示了典型的KPFM圖像和相應(yīng)的線輪廓。比例尺為10µm。c） 不同硒組分（x=0,0.8,1.6,2.2,3）合成的WSe
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3-xSe
x vdWHs的能帶排列。
圖4. 不同帶排列的WSe
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x vdWHs的光電特性。a） 研究了合成的WSe
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3-xSe
x-vdWHs在不同硒組分下的接觸電位差和相應(yīng)的能帶圖。描述了這些特性的演變，插入顯示了典型的KPFM圖像，說明了WSe
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3 xSe
x VDWH中三種類型的帶對齊。標(biāo)尺為20µm。b） V
gs=0 V時WSe
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3 xSe
x vdWH器件的輸出曲線。c）WSe
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3-vdWH器件正向電流的Fowler-Nordheim擬合。d） 在V
ds=1 V.e）在V
ds=-1、0和1 V.f）下WSe
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3-xSe
x vdWH器件的響應(yīng)度和探測率的比較WSe
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3-xSe
x vdWH器件與其他2D光電探測器的光電性能總結(jié)。
圖5. WSe
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3 xSe
x vdWHs中的EL。a） 由生長的WSe
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3 xSe
x vdWHs在正向偏壓下制成的發(fā)光p-n異質(zhì)結(jié)構(gòu)的示意圖。b） 1L-WSe
2的PL和WSe
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x VDWH的EL，具有三種類型的帶對齊。c） 分別在200 nA、120 nA和120 nA正向驅(qū)動電流下，I型、II型和III型VDWH的EL EQE的EL譜。在I型VDWH中，更高的驅(qū)動電流只會導(dǎo)致最弱的EL，這意味著其EL EQE遠(yuǎn)低于其他類型。d） 在具有三種不同類型帶排列的WSe
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3 xSe
x VDWH中，EL EQE是產(chǎn)生速率（產(chǎn)生速率表示每秒注入或激發(fā)載流子的面密度）的函數(shù)。器件的最大EQE達(dá)到≈0.20%。e） WSe
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x VDWH的頻帶對準(zhǔn)，具有足夠的前向偏置以實(shí)現(xiàn)EL發(fā)射。勢壘高度的降低是由于從III型到I型在價帶最大處的能帶偏移導(dǎo)致更顯著的電子泄漏。f） 具有單個異質(zhì)結(jié)構(gòu)的2D LED。
相關(guān)研究成果由中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所
Zhongming Wei、東南大學(xué)Bei Zhao、Junpeng Lu和Zhenhua Ni課題組2024年發(fā)表在Advanced Materials (鏈接: https://doi.org/10.1002/adma.202400060)上。原文：
Composition Modulation-Mediated Band Alignment Engineering from Type I to Type III in 2D vdW Heterostructures
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
