基于二維材料和寬禁帶半導體異質結構的最新進展

隨著人們對二維（Two dimensional，2D）材料研究的興趣日益濃厚，近年來對二維異質結構進行了許多綜述和報道，但目前還沒有對寬禁帶半導體（Wide Bandgap Semiconductor，WBS，主要是SiC或GaN）基二維異質結構的系統描述。二維材料的迷人特性，如無懸空鍵表面和層數可調帶隙等，和寬禁帶半導體高載流子遷移率、高熱導率和大帶隙、高擊穿電壓的特性，激發了人們對兩者之間異質結構新物理探索的研究興趣。此外，2D/WBS異質結構的良好晶格匹配有望提高外延二維材料的晶體質量和相關異質結的界面質量。考慮到二維異質結構領域的快速進展和前景，有必要及時地概述2D/WBS異質結構及其器件的最新發展，這將有利于推進該領域的研究和開發。

近日浙江大學杭州國際科創中心的王佩劍研究員和劉影博士后在國際老牌物理學期刊Journal of Physics: Condensed Matter上發表了題為Recent Progress of Heterostructures Based on Two Dimensional Materials and Wide Bandgap Semiconductors的特邀綜述文章，概述了2D材料和WBS材料異質結應用的多樣性和最新進展，提出了2D/WBS異質結構當前面臨的挑戰和未來有前景的研究方向。

二維（2D）材料具有豐富多樣的特性，例如層數相關能帶結構、有趣的自旋-能谷自由度和豐富的相結構，在微納器件中展現出廣闊的應用前景。同時，具有高擊穿電壓、高遷移率和高熱導率的寬帶隙半導體（WBS）在高頻微波器件、高溫和大功率電子器件中顯示出重要的應用。多功能2D/WBS異質結構可以促進界面處的載流子傳輸，可能提供新的物理現象和應用，并提高電子和光電器件的性能。本綜述概述了2D材料和WBS材料異質結構的優勢，介紹了2D/WBS異質結構在不同應用領域的主要制備方法和進展，探討了異質結構優異性能的物理機制，總結了2D/WBS異質結構在光電探測器、光催化劑、傳感器、發光二極管和儲能器件等方面的潛在應用，并提出了未來需要克服的主要障礙。該工作為未來基于SiC和GaN的二維異質結構的發展方向提供了非常有用的參考。

2D/WBS異質結器件應用前景示意圖:

對于2D/SiC異質結構，目前對2D/SiC的研究主要集中在石墨烯/SiC異質結構，其次是SiC與TMDs和MXene的異質結構等。石墨烯/SiC異質結構的光電探測器表現出良好的性能，如高光響應度、EQE和探測率。另外，由于界面能帶結構和高的界面質量，各種2D/SiC異質結構已被用作高效光催化劑，例如SnO₂/SiC異質結構器件在低電壓下表現出高析氫速率和大電流密度。用于儲能的CuS/SiC異質結構超級電容器也表現出高電容。此外，EGNWs/SiC/Si氣體傳感器實現了前所未有的靈敏度和快速響應。

2D SiC復合材料光催化性能的物理根源：

對于2D/GaN異質結構，由于GaN優異的電子遷移率和2D/GaN界面能帶排列，它們在光電器件的發展中表現出明顯的優勢，尤其是MoS₂/GaN異質結構。不同MoS₂/GaN異質結構的光電探測器表現出高響應度和探測率，寬禁帶/窄禁帶的搭配也使得探測范圍同時涵蓋了紫外和可見波段。TMDs/GaN的異質結構在光催化和光解水方面也表現出良好的前景。此外，n-SnO₂/p-GaN異質結構的雙色LED、高靈敏度氣體傳感器和新型MoS₂/GaN異質結構的PEC適配體傳感器等多種器件，揭示了2D/GaN異質結構的巨大應用潛力。

2D MoS₂/GaN異質結構能帶結構及相關氣敏傳感器的性能：

對比基于2D/GaN和2D/SiC的異質結構光電探測器，所描述的2D/GaN異質結構表現出更好的性能，其中，MoS₂/GaN的響應度遠高于其他異質結構。MoS₂/GaN如此優異的光電性能歸因于以下因素：（1）MoS₂/WBS的界面內建電場和異質結構的II型能帶排列，這是石墨烯/WBS所不具備的。(2) 與SiC的間接帶隙不同，GaN的直接帶隙具有更高的光生載流子激發效率，能夠增強MoS₂/GaN異質結的光響應度；(3) MoS₂/GaN的帶邊偏移比MoS₂/SiC大，導致界面上電荷轉移勢能更大；(4) GaN的電子遷移率(1300 cm²/V·s)高于SiC(典型4H-SiC的900 cm²/V·s)，使得2D/GaN異質結中光生載流子的抽取速度更快。

MoS₂/GaN異質結構光電探測器的示意圖和對應的光響應度和探測率等性能：

總而言之，本綜述主要關注2D/WBS異質結構材料的應用，涵蓋多個主題，包括光電探測器、光催化、光電化學、光電二極管、新型傳感器、儲能器件和憶阻器器件。異質結構的界面效應，如能帶排列、內建電場、缺陷、摻雜或界面處的超交換相互作用，對器件的性能具有至關重要的影響。本綜述中介紹的各種2D/SiC和2D/GaN異質結構展示了2D/WBS異質結構應用的多樣性，具有開發實用高性能器件的潛力。

盡管關于2D/WBS異質結構的理論預測或實驗已有報道和證實，但對它們的研究仍處于初步階段。2D/WBS異質結構的基礎研究和實用器件都面臨著許多挑戰，但也面臨著機遇。這些問題需要在進一步的應用中得到解決，例如(i) 功能在很大程度上取決于異質結構的質量，包括材料和界面的質量。(ii) 探索新物理，更深入地研究二維/WBS異質結構的光學、電學或磁學性質的調制機制對實現多功能至關重要。(iii) 設計和實現高性能和高一致性的設備模型，突破異質結構集成的關鍵科學問題，實現二維/WBS器件的有效和可擴展的集成互聯等問題也迫在眉睫。

2D/WBS異質結構材料的集成將結合兩者的獨特特性，不僅為構建具有多種材料混合結構的選擇提供靈活性，而且還能提供單種材料無法實現的新功能。此外，研究特定二維通道上的界面摻雜或缺陷對于異質結構器件小型化很重要。從器件小型化的角度來看，當通道尺寸變得與量子物理占據主導的空間尺寸相當時，會對器件工作有明顯的影響。盡管對二維系統中界面特性的了解越來越多，但對二維異質結構界面特性的詳細研究和分析仍然非常有限。相信這一激動人心的領域將為實現下一代電子學和光電子學器件開辟一條新途徑。

論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-648X/ac5310

作者介紹：

王佩劍 研究員

在北京大學元培學院, 美國University of Pennsylvania, 美國University of Massachusetts, Amherst分別獲得物理學學士、材料科學與工程碩士、物理學博士學位，隨后在美國紐約州立大學(Buffalo)物理系做博士后研究。2021年進入浙江大學國際科創中心，入選科創百人計劃。近三年來在ACS Nano, Nano Lett., Appl. Phys. Rev., Nat. Comm., Adv. Mater., Chem. Sci.等國際權威期刊發表論文14篇(8篇中科院一區)，其中第一作者/共同一作/通訊作者9篇，已授權2項專利，4項在審。主持國家自然科學基金青年基金一項。受邀為J. Magn. Magn. Mater.、Nanoscale、JPCC等國際刊物審稿。

劉影 博士后

2021年博士畢業于湖北大學，博士期間在美國Oakland University進行了兩年的聯合培養。目前主要研究二維材料及其異質結的制備、光電特性和憶阻特性的研究，以及二維異質結構光電探測器和憶阻器的設計與開發。共發表SCI論文20余篇，其中以第一作者身份在Sci. Rep.、Mater. Res. Bull.、JAP等期刊上發表了6篇文章，目前正在申請一項二維材料制備技術的發明專利。