異質半導體“比翼雙飛”——開啟光電新篇章

材料牛注：美國能源部橡樹嶺國家實驗室的最新研究發現，晶格錯配度很大的兩種半導體，能在界面處形成原子級的二維錯配層異質結構，從而結合在一起。這項技術為節能光電元件的發展開辟了新的道路。

外延法，或者以晶體基質為模板生長特定的晶體薄膜層是制備晶體管和半導體的主要方式。如果相鄰兩個沉積層上的材料相同，那么這兩個高度有序化且完美匹配的層之間，在能量上更傾向于形成強鍵。相反，如果晶格不易匹配，那么制備異質材料層將是一個巨大的挑戰。這種情況下，在不同層之間會產生弱的范德華力而不形成強鍵。

在一項由美國能源部橡樹嶺國家實驗室牽頭的研究中，研究人員解決了半導體異質材料層制備的問題。在David Geohegan領導下，橡樹嶺國家實驗室功能混合納米材料研究組的研究人員，和范德比爾特大學，猶他大學和北京計算科學研究中心進行了系列合作與研究。

科學家用兩個晶格錯配的半導體合成了很多原子級單薄層。其中一種材料——硒化鎵，是載流子為空穴的p型半導體。另一種材料鉬聯硒化物，是載流子為電子的n型半導體。在這兩個半導體層界面處會形成一個尖銳的原子級異質結構，稱為p-n結，通過光分離電子空穴對能產生光伏響應。此原子級的薄太陽能電池的研制成果，表明了合成的錯配層的巨大前景，這將開啟功能二維材料的新篇章。

在實驗過程中，科學家先制備出單層鉬聯硒化物，然后在其頂部生成一層硒化鎵。這項技術被稱為“范德瓦耳斯取向生長”，是以將不同層結合在一起的弱吸引力命名的。“在范德瓦耳斯取向生長下，盡管存在強烈的晶格錯配，仍然可以在第一層上生長出另一層，”Li說。研究團隊用掃描透射電子顯微鏡表征了材料的原子結構，揭示了莫爾云紋的形成。

“這兩層之間有如此大的晶格錯配，但它們竟然以有序的方式相互生長，這很讓人意外，但是確實實現了。” 該研究的首席科學家，橡樹嶺國家實驗室的Xufan Li說。

然而，不同材料彼此之間進行堆積的想法本身并不新鮮。事實上，它是目前使用的大多數電子設備的基礎。但是，只有當各個材料的晶格非常相似，即有很好的“晶格匹配度”時，這種堆積才有效果。這項研究的新突破在于，在完全不同的二維材料之間生成了高性能層，拓寬了能夠彼此結合的材料數量，從而創造出更廣泛的潛在原子級的薄層電子設備。

該研究團隊是第一個表明，兩種不同類型的金屬硫族化物——帶更多正電元素或原子團的硫、硒、碲的二元化合物——即使晶格常數有很大差別，也可以生長在一起形成完美對齊堆垛的雙分子層。“這是節能光電元件一個新的、潛在的構件。”Li說。

在表征新的雙分子層構件時，研究人員發現，兩個錯配層已經自動排列成了一個重復的長程原子有序，這可以在電子顯微鏡下的莫爾云紋中直接觀察到。“我們感到很驚訝，這些花紋排列得很整齊 ，”Li說。

“這些新穎的二維錯配層異質結構開啟了光電應用程序構建的大門，”橡樹嶺國家實驗室的資深科學家Kai Xiao說。“在此基礎上，我們能夠擴展研究其他晶格匹配的二維異質結構所不具有的物理性能。二維錯配層異質結構展現了一系列潛在的物理現象，如界面磁性、超導和霍夫施塔特蝴蝶效應等。”

然而，科學家們并未止步于此。研究人員計劃開展進一步的研究，探索材料在生長過程中如何排列以及材料成分如何影響光伏效應以外的性能。進一步的研究將致力于將二維材料融入設備。

多年來，具有相似晶胞尺寸的層狀異質化合物已被廣泛研究。將不同元素融入化合物中，產生了一系列不同的物理性能，涉及到了超導、磁性和熱電等領域。但是具有不同晶胞尺寸的層狀二維化合物卻幾乎無人研究。

“我們已經打開了探索各種錯配異質結構的大門。”Li說。

目前，該項成果已發表在Science Advances。

原文參考地址：Semiconductors Align as an "Odd Couple" to Enhance Optoelectronics。

本文由編輯部黃語嫣編譯，萬鑫浩審核。