卤化物钙钛矿/二维范德华半导体原子级异质结兼具强光吸收、高激子束缚能和优异载流子输运特性，在超薄光电探测与新型集成光电子器件领域展现出重要应用前景。然而，这类异质结的性能高度依赖于层间耦合强度，而层间相对取向，尤其是扭转角，对界面相互作用、能带结构演化及器件性能的影响机制仍缺乏系统认知。因此，如何实现原子尺度扭转结构的可控制备，并揭示扭转角调控界面耦合与光电响应的内在规律，已成为该领域亟待突破的关键科学问题。
针对上述问题，武汉理工大学刘勇教授团队构筑了一系列具有精确定义扭转角(0°, 5°, 7°, 10°, 12° 和 15°) 的原子层级(PEA)2PbBr4/WSe2 范德华异质结，系统研究了扭转角对界面耦合、能带结构和器件性能的调控规律。研究表明，随着扭转角增大，异质结层间耦合持续增强，表现为 Raman 声子硬化、PL 红移与猝灭，以及有效 type-II 带隙逐步收窄。尤其是15° 异质结展现出优异的光电探测性能，在 405 nm 光照下获得 2.8 A W−1 的光响应度、2.33 × 105 的开关比和 117.1 cm2 V−1 s−1 的迁移率。该研究表明，扭转角可作为调控钙钛矿/二维异质结界面物理与光电响应的关键原子尺度自由度，为新型超薄光电器件的结构设计与性能优化提供了重要依据。
[图文导读]
图1｜精准构筑不同扭转角的原子层级(PEA)2PbBr4/WSe2异质结
研究团队首先通过化学气相沉积（CVD）生长单层三角形 WSe2，并结合溶液法制备二维矩形(PEA)2PbBr4薄片，随后借助精密转移平台实现可控堆叠，成功构筑出具有0°、5°、7°、10°、12° 和 15° 不同扭转角的原子层级(PEA)2PbBr4/WSe2异质结，为后续系统比较不同扭转角下界面耦合行为、能带结构演化及器件光电响应奠定了结构基础。
图2｜原子层级(PEA)2PbBr4/WSe2异质结扭转角增大诱导界面耦合增强
光谱表征进一步揭示了扭转角对异质结界面耦合的显著调控作用。UPS 结果表明，(PEA)2PbBr4/WSe2 异质结形成了有利于光生载流子分离的 type-II 能带对齐。进一步的 Raman 与 PL 测试表明，随着扭转角增大，(PEA)2PbBr4 在约 70 cm−1 处的特征振动峰以及 WSe2 在约 250 cm−1 处的特征振动峰均逐步蓝移，显示出明显的声子硬化；与此同时，两者的发光峰持续红移并伴随显著淬灭，说明较大的扭转角促进了层间轨道杂化和界面电荷重分布，从而增强了光生载流子的空间分离效率。。
图3｜理论计算揭示原子层级(PEA)2PbBr4/WSe2异质结中扭转角调控能带的内在机制
DFT计算进一步揭示了扭转角调控异质结电子结构的内在机制。结果表明(PEA)2PbBr4/WSe2 异质结在不同扭转角下均保持稳定的type-II 带边排列，其中价带顶主要分布于 (PEA)2PbBr4，导带底主要分布于 WSe2。随着扭转角从 0° 增加到 15°，体系的有效带隙由 0.408 eV 逐渐减小到 0.384 eV。该结果表明，增大的扭转角增强了层间耦合与轨道杂化，促进了带边靠近和局域电势重整，从而为光生载流子的高效注入、分离与传输提供了微观基础。
图4｜界面与能带调控转化为器件性能提升
最终，基于不同扭转角异质结构制备的光电探测器显示出显著的扭转角依赖特征。随着扭转角增大，器件开启电压逐渐降低，且在 405 nm 光照下的转移特性持续增强，表明界面载流子激发、分离与传输过程中的势垒被有效削弱。其中，15° 扭转角异质结器件展现出最优性能：在 405 nm 光照下实现了2.8 A W−1 的光响应度、2.33 × 105 的开关比和 117.1 cm2 V−1 s−1 的迁移率；在 532 nm 光照下，其光响应度仍达到 1.2 A W−1，明显优于单一 WSe2 器件及多种已报道的同类钙钛矿/TMD 异质结器件。上述结果表明，扭转角不仅能够深刻调控界面微观耦合与能带结构，还能够有效转化为宏观器件光电性能的显著提升。
[结论展望]
这项工作将二维材料领域广受关注的“扭转角工程”成功拓展至原子层级薄钙钛矿/二维半导体范德华异质结体系，实现了界面耦合增强、能带结构优化与器件性能提升的协同调控，建立了“扭转角—界面耦合—能带演化—光电响应”之间的清晰构效关联。研究表明，扭转角并非单纯的几何参数，而是能够协同影响声子行为、电子结构及载流子动力学过程的关键原子尺度设计自由度。该成果不仅为理解层状钙钛矿/二维半导体界面中的扭转耦合机制提供了新的认识，也为后续界面精准设计、能带工程调控及高性能超薄光电器件的构筑提供了新的研究思路
[论文信息]
Twist-Angle Engineering of Atomically Thin Halide Perovskite/WSe2 van der Waals Heterojunctions for Enhanced Optoelectronic Performance
Damin Liu, Zisheng Tang, Jieheng Lv, Xuemin Luo, Sicheng Luo, Kefeiyang Hu, Manrui Liu, Yanhui Jiao, Mai Mao, Xiaoqian Wang, Dafu Zhao, Wenchao Huang and Yong Liu*
DOI: 10.1002/aenm.70946
