二維半導體二硫化鎢納米材料光學特性的綜述與展望

2021-02-24 MaterialsViews

2004年，單層碳原子即石墨烯被成功從石墨中分離並在顯微鏡下觀察到，開啟了納米科學、納米材料和納米技術的新篇章。以石墨烯為代表的二維材料也成為當今基礎科學與先進技術研究的熱點。然而，儘管電子在石墨烯中的遷移率非常高，但是零能量帶隙（半金屬）的特性導致石墨烯無法直接應用於基於半導體的電子與光電器件中。過渡金屬硫族化合物如MoS2, WS2, MoSe2 和WSe2等與石墨相同，具有層內強共價鍵及層間弱範德瓦爾斯力結合在一起的結構，同時擁有近紅外和可見光區的本徵能量帶隙，尤為重要的是這些過渡金屬硫族化合物在厚度減薄為單層時呈現出直接能量帶隙。這類具有一定帶隙的二維材料作為新型的二維層狀半導體材料吸引了研究人員的廣泛關注，被認為是實現新型二維電子尤其是光電器件最理想的材料體系。其中尤以二硫化鎢（WS2）最為引人矚目，因其具有較高的發光效率，強自旋-軌道耦合（約420 meV）和較大的激子束縛能以及2 eV的能隙（紅光）。由強烈的自旋-軌道、自旋-谷間耦合導致的谷間反差是二維過渡金屬硫族化合物的又一特質，成為拓展二維光電器件新性能的物理基礎。此外，二維半導體材料同時具有類薄膜的宏觀維度和二維體系量子限域的微觀維度，使其既具備與成熟的半導體工藝的高度適配性又不失量子效應所帶來的新性能。這些二維材料還具有很好的拉伸性和柔韌性，通常比體材料能承受更大的應變而不損傷，在新興的柔性微納技術行業也引起極大興趣。二維半導體材料已經展現出很多，而且必將呈現更廣泛的應用，尤其在基於該材料的新型微電子及光電子器件領域，同時帶來巨大的、誘人的市場前景。

最近，復旦大學叢春曉教授和新加坡南洋理工大學於霆教授、尚景志博士、汪彥龍博士合作撰寫了關於二維半導體材料二硫化鎢光學特性及其光電應用方面的綜述論文。該綜述系統地介紹了二維層狀半導體材料二硫化鎢的激子發光特性包括激子、帶電激子、束縛激子和雙激子，以及層數、應力、襯底、缺陷、外加磁場、圓偏光、電學摻雜、化學摻雜、等離子體效應等對層狀二硫化鎢能帶結構和激子發光特性的影響和調製，討論了其單光子發射、激子-極化激元、受激發射、電致發光、諧波振蕩和激子動力學等方面的特性和潛在應用，並對二硫化鎢目前存在的問題和未來發展機遇與挑戰進行了總結和展望。該文章對於深入了解二維半導體材料二硫化鎢光學特性以及光電應用等方面將起到重要的指導意義。

相關論文發表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201700767）上。

基於零維硫化鉛量子點與二維二硒化鎢納米片協同效應的高性能寬光譜光電場效應電晶體

基於層數調控的二維半導體同質結的研究

界面工程可提高二維層狀半導體的遷移率

二維單層有機-無機雜化鈣鈦礦半導體

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