南京理工大学&燕山大学ACS Nano:通过强界面耦合实现的横向MoS2同质结中的巨型光伏效应及自驱动光电探测

成果介绍

尽管基于完美晶格匹配的同质结在理论上能实现近乎无缺陷的界面和高效的载流子输运，但传统制备方法在物理本质上存在局限。无论是分栅电极的静电调控，还是局部化学掺杂/光掺杂，都严重依赖持续或精密操控的外部刺激来诱导载流子浓度变化。这种“外部脚手架”式的调控，不仅工艺复杂、可重复性面临挑战，更关键的是，其产生的载流子分布与能带弯曲往往是非本征、不稳定且深度有限的。一旦外部条件撤除或发生变化，结区特性极易衰减，难以形成器件运作所必需的、强健且显著的内建电场，从而制约了同质结性能的理论上限。

鉴于此，南京理工大学陈哲生教授、张再兰老师、燕山大学程迎春教授（共同通讯作者），南京理工大学博士生许纪元（论文第一作者）及其合作者研究了MoS₂/CrOCl 异质结构的界面特性及MoS₂同质结器件。他们将原始的 MoS₂ 与 CrOCl 结合的 MoS₂ 组合，制备了横向 n⁺-n^- MoS₂ 同质结。利用微区角度分辨光电子能谱（micro-ARPES）直接观察了 MoS₂ 在 MoS₂/CrOCl 界面处的电荷转移和能带移动。值得注意的是，原始 MoS₂ 中的场效应晶体管（FET）表现出 n 型特性，在 MoS₂/CrOCl 中表现出 p 型特性，同质结在栅极电压调制下的情况下表现出反双极性特性。此外，基于 MoS₂ 同质结的光电设备展示了巨大的光伏效应和高效的光电探测性能，在自供电操作下，开路电压高达 0.87 V，响应度高达 0.98 A/W，这是基于过渡金属二硫化物（TMD）的光电设备中性能最高的之一。他们对横向 MoS₂ 同质结的研究不仅为构建横向半导体同质结建立了有效的途径，还为能够在光伏和光电探测模式下运行的高性能光电设备开辟了机会。

图文导读

图1.横向MoS₂同质结的示意图以及MoS₂与CrOCl之间界面耦合的计算结果。a) 横向MoS₂同质结的示意图。b) MoS₂/CrOCl异质结的计算能带结构。c) 理论结构模型的侧视图（上图）以及MoS₂/CrOCl异质结构的差分电荷（下图），其中电荷积累和耗尽分别以红色和蓝色显示。

图2. 原始MoS₂以及MoS₂/CrOCl异质结构的能带结构。a) 光学图像及对应的扫描透射电子显微镜（SPEM）图。单层MoS₂、少层CrOCl以及h-BN区域分别由红色、黑色和黄色的虚线轮廓所圈出。比例尺为 5µm。b, c) 从（b）图中原始MoS₂在 E - E_F = -2.15 eV处的三维 ARPES 图以及（c）图中MoS₂/CrOCl异质结构在 E - E_F = -1.95 eV处的三维 ARPES 图中提取的恒能截面。d, e) 原始MoS₂以及MoS₂/CrOCl沿 Γ - K 方向的能带分布。（f）从原始MoS₂和MoS₂/CrOCl的 Γ 点提取的电子密度分布。g, h) 沿 Γ - M 方向的原始MoS₂以及MoS₂/CrOCl的能带分布。i) 从原始MoS₂和MoS₂/CrOCl的 M 点提取的电子密度分布。

图3. 基于横向MoS₂同质结的场效应晶体管性能。a) 基于MoS₂的 n⁺–n⁺、n^––n^– 和 n⁺–n^–型场效应晶体管的示意图。b) 所制备的场效应晶体管的光学图像。c) 不同栅极电压下 n⁺–n⁺MoS₂场效应晶体管的 I_ds–V_ds 曲线。d) 不同栅极电压下 n^––n^–MoS₂场效应晶体管的 I_ds–V_ds 曲线。e) 不同栅极电压下 n⁺–n^–MoS₂场效应晶体管的 I_ds–V_ds 曲线。f) 在 V_ds = 1 V 时测量的场效应晶体管的转移特性。g) 接触前MoS₂和CrOCl的能带图。h) 原始MoS₂和MoS₂堆叠在CrOCl上的能带图。i) 横向 n⁺–n^–MoS₂同质结的能带图。

图4. 532 nm激光下的横向 n⁺–n^–MoS₂同质结的光电性能。在 532 nm光照下对横向 n⁺–n^–MoS₂ 同质结的光电特性进行表征。a) 在自供电操作下的光电流分布图。b) 在不同光照功率密度下测量的 I_ds - V_ds 曲线。c) 光照功率密度与开路电压（V_oc）和短路电流（I_sc）之间的关系。d) 在不同光照功率密度下，器件的输出功率与 V_ds 的关系。e) 光照功率密度与填充因子（FF）和光电转换效率（PCE）之间的关系。f) 在光照功率密度为 177 mW/cm²时，该器件的光伏性能。g) 与之前报道的二维光伏器件的 PCE 和 V_oc 的比较。h) 光照功率密度与响应度和探测度之间的关系。i) 探测度和响应度与基于过渡金属二硫化物异质结构的其他光电探测器的比较。

结论与展望

本研究首次展示了在MoS₂同质结中所展现出的卓越光电性能。该同质结是通过将原始MoS₂与堆叠在CrOCl绝缘层上的MoS₂简单地整合而成的。得益于MoS₂向CrOCl的电荷转移，MoS₂/CrOCl区域呈现出约 200 meV的能带位移以及电子掺杂的减少，这一点已被密度泛函计算和 micro-ARPES 所证实。由此产生的横向 n⁺-n^- MoS₂同质结同时实现了超高的光伏和光电探测性能，在自驱动操作下，其开路电压高达 0.87 V，响应度接近 1 A/W，这是基于过渡金属二硫化物的光电设备中报道的最高值之一。我们的研究结果不仅确立了一种通用策略，用于构建具有完美晶格匹配和高效载流子传输的横向半导体同质结，而且还为在单个范德华半导体平台上开发集高效光伏转换和自供电光电探测功能于一体的高性能多功能器件奠定了基础。

文献信息

J. Xu, Y. Sun, G. Zhou, et al. “ Giant Photovoltaic Effect and Self-Powered Photodetection in Lateral MoS2 Homojunctions via Strong Interface Coupling.” ACS Nano 2026,XXXX,XXX,XXX-XXX.

文献链接： https://doi.org/10.1021/acsnano.5c18507

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