南京理工大学陈哲生教授,燕山大学程迎春教授 ACS Nano:基于强界面耦合的MoS2横向同质结巨光伏效应和自供电光探测

南京理工大学陈哲生教授，燕山大学程迎春教授等人发表题为 “Giant Photovoltaic Effect and Self-Powered Photodetection in Lateral MoS2 Homojunctions via Strong Interface Coupling”于ACS Nano上

本文利用二维绝缘体CrOCl与MoS₂之间的强界面电荷耦合，在单一MoS₂晶片内构建横向n⁺–n⁻同质结。通过微区角分辨光电子能谱（micro-ARPES）与第一性计算证实，MoS₂/CrOCl界面发生≈200 meV的刚性能带下移，电子从MoS₂向CrOCl转移，使MoS₂一侧由强n型转变为弱n型（n⁻），而未被覆盖区域保持强n型（n⁺）。基于该同质结的自驱动光电探测器在零偏压下实现0.87 V开路电压、0.98 A W⁻¹响应度与1.61×10¹² Jones比探测率，光伏转换效率达6.35 %，响应/恢复时间仅35/29 µs，性能在30天空气存储后保持>97 %，为二维同质结光电器件树立新标杆。

背景

二维范德华同质结因晶格完美匹配、界面无散射中心而被视为高性能光电器件理想平台。然而在同一种材料内实现横向载流子浓度梯度通常需借助分栅、化学掺杂、光掺杂或铁电局域极化等复杂工艺，且需外部刺激维持，难以兼顾稳定性与可扩展性。界面耦合（interface coupling）通过邻近效应调控载流子浓度与能带结构，为“无掺杂”构建横向同质结提供新思路。CrOCl是一种层状vdW磁绝缘体（带隙≈2.8 eV），近期被报道可抽取MoS₂电子并诱导n→p型转变，但其用于横向同质结光伏与自驱动光电探测尚未探索。

主要内容

本研究提出“界面电荷抽取”策略：将单层MoS₂一半区域直接裸露，另一半区域堆叠CrOCl绝缘体，形成横向n⁺–n⁻同质结。DFT计算表明CrOCl导带底比MoS₂低0.77 eV，形成II型能带排列；差分电荷密度显示界面S→Cl电子转移，与micro-ARPES实测≈200 meV能带下移一致。该内建电势在零偏压下即可高效分离光生载流子，赋予器件巨大光伏效应与自驱动探测能力。器件制备采用干法转移：先在SiO₂/Si上依次堆叠BN、CrOCl与MoS₂，形成MoS₂/CrOCl/BN区域；另一半MoS₂直接落在SiO₂上定义为n⁺区。电子束曝光定义3 µm沟道，Cr/Au（3 nm/50 nm）非对称电极跨越两区。

实验细节概括

单层MoS₂与4.4 nm CrOCl、9 nm BN分别通过机械剥离获得，干法转移使用PC/PDMS印章：先在印章上拾取MoS₂，再对准下半部分与CrOCl/BN堆叠，形成横向n⁺–n⁻结构；上半部分MoS₂直接落在SiO₂/Si衬底。整个堆叠在180 °C轻压下释放，氯仿去除PC胶。微区ARPES在意大利Elettra光源Spectromicroscopy束线完成，光子能量74 eV，光斑600 nm，能量分辨率45 meV，样品在UHV中350 °C退火10 h以清洁表面。器件电极由电子束曝光写出，Cr/Au蒸发后剥离形成源-漏间距3 µm、宽度10 µm的非对称电极。

创新点

1. 首次利用vdW绝缘体CrOCl与MoS₂的界面电荷转移，在同一MoS₂晶片内构建横向n⁺–n⁻同质结，无需化学掺杂、栅极或铁电层，工艺简单且空气稳定。

2. 通过micro-ARPES直接观测到≈200 meV能带下移，与DFT电荷差分结果一致，为界面耦合调控载流子浓度提供定量实验证据。

3. 同质结在零偏压下实现0.87 V开路电压与6.35 %光伏效率，均为TMD同质结报道最高值；自驱动探测响应度近1 A W⁻¹，比探测率>10¹² Jones，兼具高速（µs级）与长寿命（>30天）。

4. 提出“绝缘体诱导内建电势”概念，避免异质结晶格失配与界面缺陷，可拓展至其它TMD/vdW绝缘体系，为二维同质结光电器件提供通用平台。

5. 演示单像素扫描成像，空间分辨率≈2 µm，验证材料均匀性与器件可集成性，为后续阵列化与片上光谱仪奠定基础。

结论

本工作利用CrOCl/MoS₂强界面耦合，在单一MoS₂中构建横向n⁺–n⁻同质结，实现巨大内建电势与高效光生载流子分离。器件在零偏压下同时输出0.87 V光伏电压与1 A W⁻¹自驱动光响应，效率、速度与稳定性均居TMD同质结前列。该策略无需掺杂、光刻或铁电层，兼容大面积干法转移，为二维同质结光伏、自驱动探测及多功能光电子芯片提供了一条可扩展、空气稳定的通用路线。

图2. 原始MoS2和MoS2/CrOCl异质结的能带结构。(a)光学图像及对应的SPEM图谱，其中单层MoS2、少层CrOCl和BN区域分别用红色、黑色和黄色虚线标出，比例尺对应5μm。(b,c)三维ARPES图谱在(b)原始MoS2(E-EF=-2.15eV)和(c)MoS2/CrOCl异质结(E-EF=-1.95eV)处的等能面切图。(d,e)沿Γ-K方向的(d)原始MoS2和(e)MoS2/CrOCl能带色散。(f)从原始MoS2和MoS2/CrOCl的Γ点提取的EDCs谱。(g,h)沿Γ-M方向的(g)原始MoS2和(h)MoS2/CrOCl能带色散。(i)从原始MoS2和MoS2/CrOCl的M点提取的EDCs谱。

https://doi.org/10.1021/acsnano.5c18507