南京工業大學王琳教授Advanced?materials：基于原子級碘化鉛晶體的界面能帶工程

【引言】

日漸豐富的材料種類與可構筑范德華異質結的特點，為二維材料在功能化微納器件領域的應用奠定基礎。然而目前半導體二維材料種類不多，通過界面能帶工程靈活調控二維材料的光電性質仍是一項艱難的挑戰。作為二維半導體材料，過渡金屬硫化物（TMDs）因具有在可見光附近的光學帶隙與易調控光電性能，受到科研工作者的關注。但大量的理論和實驗結果證明，TMD/TMD異質結多為Type-II型異質結，雖然黑磷與TMD材料可以形成不同類型異質結，但黑磷能帶較窄，對TMD大多起到發光淬滅的作用。而開發新的二維半導體材料，靈活運用能帶工程，對實現高效穩定的微納光電器件具有重大意義。

【成果簡介】

近日，南京工業大學王琳教授課題組用溶液法合成了原子級厚度的高質量碘化鉛（PbI₂）納米片，并將其與TMDs二維材料結合起來構建異質結，利用異質結界面間的能級排列，系統的研究了PbI₂對不同TMDs材料光學性質的影響。結果顯示原本能級結構相似的TMDs材料，在與PbI₂構建異質結后，表現出了迥異的光學性質。理論與實驗分析證明，MoS₂與PbI₂之間的能級排列屬于跨立型（Type-I）半導體異質結，即PbI₂中的激發態能量向MoS₂層傳遞，使MoS₂發光增強，而WS₂和WSe₂分別與PbI₂之間形成了錯開型（Type-II）半導體異質結，即WS(Se)₂中的電子流向PbI₂層，電子-空穴對密度減少，引起發光淬滅。這表明超薄PbI₂可以通過界面能帶工程，與其他二維材料構筑不同類型的異質結，從而可以極大地拓寬了功能型材料的選擇范圍，促進新型微納光電器件研發與應用進程。該成果以題為“Band Structure Engineering of Interfacial Semiconductors Based on Atomically Thin Lead Iodide Crystals”發表在Advanced?materials上。

【圖文導讀】

圖一?碘化鉛納米片的制備與性質

（a）碘化鉛的六方晶體結構；

（b）碘化鉛納米片的溶液法制備流程；

（c）PbI₂納米片的光學圖片，納米片附近的數字為對應納米片的厚度，標尺10 μm；

（d）原子力顯微鏡圖譜（（c）圖中白色虛線對應的區域），藍色曲線為對應位置的高度線，兩個納米片厚度分別為3.0 nm與4.6 nm，標尺：2 μm；

（e）PbI₂納米片（厚度10nm）的拉曼光譜；

（f）290K溫度下不同厚度PbI₂納米片的光致發光光譜。

圖二 MoS₂/PbI₂異質結的制備與光學性質

（a）干法轉移制備MoS₂/PbI₂的示意圖

（b）MoS₂/PbI₂異質結的晶體結構

（c）MoS₂/PbI₂異質結與單層MoS₂的拉曼光譜對比；

（d、e）MoS₂/PbI₂異質結的光學圖片與對應的光致發光掃描圖像，其中白色虛線勾勒了單層MoS₂（WSe₂）的輪廓，黑色虛線為PbI₂納米片的輪廓，標尺：5 μm；

圖三MoS₂/PbI₂異質結的能帶分析

（a）用洛倫茲曲線擬合對MoS₂/PbI₂異質結與單層MoS₂的熒光光譜分析；

（b）MoS₂/PbI₂異質結能級結構與能量轉移過程示意圖，DFT計算結果表明MoS₂與PbI₂之間形成Type-I異質結；

（c）MoS₂/PbI₂異質結與單層MoS₂ 的熒光壽命對比；

圖四?WS(Se)₂/PbI₂異質結

（a）WS(Se)₂/PbI₂異質結與WS(Se)₂的拉曼光譜對比；

（b、c）WS(Se)₂/PbI₂異質結與WS(Se)₂的光致發光光譜對比；

（d、e）WSe₂/PbI₂異質結的光學圖片以及對應的光致發光掃描圖像（左圖） ；其中白色虛線勾勒了單層WSe₂的輪廓，黑色虛線為PbI₂納米片的輪廓。標尺：5 μm。

（f）WS(Se)₂/PbI₂異質結能級結構與載流子遷移過程示意圖，計算結果表明，WS(Se)₂與PbI₂之間形成Type-II異質結；

【小結】

本文中，作者展示了使用簡單高效的溶液法可控制備出超薄層PbI₂納米片，并發現PbI₂能夠與二維TMDs材料構筑不同類型的異質結，對TMDs的光學性質起到不同的影響。通過界面間的能級匹配，PbI₂納米片為我們構筑功能性異質結提供了更大的自由度，從而促進微納器件的研發與應用進程。

文獻鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201806562

本文由南京工業大學王琳教授課題組供稿，材料人編輯部Alisa編輯。

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