异质半导体“比翼双飞”——开启光电新篇章

材料牛注：美国能源部橡树岭国家实验室的最新研究发现，晶格错配度很大的两种半导体，能在界面处形成原子级的二维错配层异质结构，从而结合在一起。这项技术为节能光电元件的发展开辟了新的道路。

外延法，或者以晶体基质为模板生长特定的晶体薄膜层是制备晶体管和半导体的主要方式。如果相邻两个沉积层上的材料相同，那么这两个高度有序化且完美匹配的层之间，在能量上更倾向于形成强键。相反，如果晶格不易匹配，那么制备异质材料层将是一个巨大的挑战。这种情况下，在不同层之间会产生弱的范德华力而不形成强键。

在一项由美国能源部橡树岭国家实验室牵头的研究中，研究人员解决了半导体异质材料层制备的问题。在David Geohegan领导下，橡树岭国家实验室功能混合纳米材料研究组的研究人员，和范德比尔特大学，犹他大学和北京计算科学研究中心进行了系列合作与研究。

科学家用两个晶格错配的半导体合成了很多原子级单薄层。其中一种材料——硒化镓，是载流子为空穴的p型半导体。另一种材料钼联硒化物，是载流子为电子的n型半导体。在这两个半导体层界面处会形成一个尖锐的原子级异质结构，称为p-n结，通过光分离电子空穴对能产生光伏响应。此原子级的薄太阳能电池的研制成果，表明了合成的错配层的巨大前景，这将开启功能二维材料的新篇章。

在实验过程中，科学家先制备出单层钼联硒化物，然后在其顶部生成一层硒化镓。这项技术被称为“范德瓦耳斯取向生长”，是以将不同层结合在一起的弱吸引力命名的。“在范德瓦耳斯取向生长下，尽管存在强烈的晶格错配，仍然可以在第一层上生长出另一层，”Li说。研究团队用扫描透射电子显微镜表征了材料的原子结构，揭示了莫尔云纹的形成。

“这两层之间有如此大的晶格错配，但它们竟然以有序的方式相互生长，这很让人意外，但是确实实现了。” 该研究的首席科学家，橡树岭国家实验室的Xufan Li说。

然而，不同材料彼此之间进行堆积的想法本身并不新鲜。事实上，它是目前使用的大多数电子设备的基础。但是，只有当各个材料的晶格非常相似，即有很好的“晶格匹配度”时，这种堆积才有效果。这项研究的新突破在于，在完全不同的二维材料之间生成了高性能层，拓宽了能够彼此结合的材料数量，从而创造出更广泛的潜在原子级的薄层电子设备。

该研究团队是第一个表明，两种不同类型的金属硫族化物——带更多正电元素或原子团的硫、硒、碲的二元化合物——即使晶格常数有很大差别，也可以生长在一起形成完美对齐堆垛的双分子层。“这是节能光电元件一个新的、潜在的构件。”Li说。

在表征新的双分子层构件时，研究人员发现，两个错配层已经自动排列成了一个重复的长程原子有序，这可以在电子显微镜下的莫尔云纹中直接观察到。“我们感到很惊讶，这些花纹排列得很整齐 ，”Li说。

“这些新颖的二维错配层异质结构开启了光电应用程序构建的大门，”橡树岭国家实验室的资深科学家Kai Xiao说。“在此基础上，我们能够扩展研究其他晶格匹配的二维异质结构所不具有的物理性能。二维错配层异质结构展现了一系列潜在的物理现象，如界面磁性、超导和霍夫施塔特蝴蝶效应等。”

然而，科学家们并未止步于此。研究人员计划开展进一步的研究，探索材料在生长过程中如何排列以及材料成分如何影响光伏效应以外的性能。进一步的研究将致力于将二维材料融入设备。

多年来，具有相似晶胞尺寸的层状异质化合物已被广泛研究。将不同元素融入化合物中，产生了一系列不同的物理性能，涉及到了超导、磁性和热电等领域。但是具有不同晶胞尺寸的层状二维化合物却几乎无人研究。

“我们已经打开了探索各种错配异质结构的大门。”Li说。

目前，该项成果已发表在Science Advances。

原文参考地址：Semiconductors Align as an "Odd Couple" to Enhance Optoelectronics。

本文由编辑部黄语嫣编译，万鑫浩审核。