新型多组分耐热铜基合金在碳酸盐环境中的腐蚀机理

《Journal of Materials Science & Technology》：Corrosion mechanisms of novel multicomponent heat-resistant Cu-based alloys in carbonate environments

二维MoS?/ReS?异质结通过尺寸效应调控实现费米能级零偏移，消除界面势垒和复合，在紫外激发下获得4.53×10? A/W响应度、1.5×10?%外量子效率和1.6×101? Jones检测度，验证费米能级对电荷分离的主导作用。

　　

杜春|苏嘉云|刘子阳|郑兆强|姚建东|陈一村|段宣明

中国广东省光纤传感与通信重点实验室，济南大学光子技术研究所，广州510632

摘要

二维（2D）范德华异质结构为先进的光电器件提供了有前景的平台。然而，传统的II型异质结构由于费米能级偏移，不可避免地会导致能带弯曲和陷阱辅助复合，从而限制了光电转换效率。本文采用尺寸效应控制策略，在保持II型能带对齐的同时，使MoS₂/ReS₂界面上的费米能级达到内在对齐。由此形成的异质结几乎消除了费米能级偏移，从而消除了界面势垒并延长了载流子寿命。在低功率紫外光激发下，该器件的响应度为4.53×10⁴ A/W，外部量子效率为1.5×10⁷%，比检测率为1.6×10¹⁴ Jones。光谱和超快载流子动力学分析表明，精确的费米能级在控制电荷分离方面比传统的内部场更为关键。对比实验进一步证实，费米能级失配会增加能带弯曲、陷阱辅助复合以及光电响应的显著下降。相比之下，优化后的对齐方式最大化了电荷转移效率，光致发光衰减仅为77.3%。此外，这种优化的异质结构支持宽带检测并实现高分辨率成像，显示出强大的应用潜力。本研究确立了界面电子平衡作为关键设计原则，并提出了一种无需掺杂的通用方法来调节2D异质结构中的费米能级，为下一代光电和成像器件提供了机制上的见解和可扩展的指导。

引言

二维（2D）范德华异质结构，特别是由过渡金属硫属化合物构成的异质结构，因其出色的机械柔韧性、可调的电子能带结构以及强烈的光-物质相互作用而受到广泛关注[1]。这些特性使它们成为光电应用的理想候选材料，如光电探测器、发光二极管和太阳能电池[[2], [3], [4]]。在各种能带对齐配置中，II型能带对齐特别有利，因为导带最小值（CBM）和价带最大值（VBM）位于不同的组成材料中，从而促进了光激发电子和空穴的快速空间分离[5]。这种空间分离有效地抑制了载流子复合，提高了光载流子的收集效率，因此被广泛认为是提高器件光电响应性能的关键策略[6]。

传统的II型异质结构通常依赖于组成材料之间的较大费米能级偏移（ΔE_F），以产生驱动载流子分离的内建电场[1,7]。这种内部电场有助于光生电子和空穴的空间分离，这对于提高光载流子提取效率至关重要。然而，较大的ΔE_F通常源于组成材料之间的功函数或掺杂水平的固有差异，一旦形成异质结，可能会导致严重的能带弯曲[8,9]。这种能带弯曲会扭曲局部能量分布，并产生高密度的界面陷阱态，促进非辐射复合。此外，由此产生的能带不连续性往往引入界面能量势垒，阻碍载流子的注入和提取，最终限制了器件的光电转换效率[10,11]。这种固有的矛盾凸显了需要一种新的设计策略，以在实现高效载流子动力学的同时，将有害的界面效应降到最低。

最近的研究集中在外部调制技术上，包括静电门控[4,12]、应变工程[13]和衬底诱导掺杂[8]，以调节2D材料的电子特性。然而，这些方法往往存在制备复杂性、器件不稳定或可扩展性有限的问题[14]。相比之下，厚度依赖的尺寸效应是一种内在的、可扩展的方法，可以避免外部干扰，实现对2D半导体电子能带结构和费米能级位置的稳定和非侵入性控制[15]。尽管有报告表明厚度控制可以引起费米能级移动，但其对II型异质结构界面能量对齐和光电性能的直接影响仍大多未被探索。

在本研究中，通过尺寸依赖的调制策略实现了具有几乎可忽略不计的界面ΔE_F的MoS₂/ReS₂范德华异质结光电探测器。这种内在的费米能级调控方法有效地消除了界面能量势垒和能带弯曲，同时保持了高效电荷转移所需的良好II型能带对齐。优化后的异质结在低功率紫外光照射下表现出出色的光电检测性能，响应度（R）为4.53×10⁴ A/W，外部量子效率（EQE）为1.5×10⁷%，比检测率（D*）为1.6×10¹⁴ Jones，超过了单组分器件。全面的实验和理论分析表明，界面处精确的费米能级匹配比传统的内部场更为关键，确保了高效的电荷分离和延长的载流子寿命。对比实验表明，增加ΔE_F会导致明显的能带弯曲和陷阱辅助复合，从而严重降低光电响应。除了其优异的灵敏度和宽带响应外，具有几乎零ΔE_F的优化异质结构还实现了稳健的高分辨率成像，包括红-绿-蓝（RGB）重建，展示了其在先进2D光电传感系统中的潜力。本研究确立了界面电子平衡作为关键设计原则，并提出了一种无需掺杂的通用方法来调节2D异质结构中的能级，为下一代光电和成像器件的发展提供了机制上的洞察和可扩展的指导。

结果与讨论

通过X射线衍射测量确认了块状单晶MoS₂和ReS₂的相结构，结果分别见补充材料中的图S1和S2。MoS₂的衍射峰对应于2H相（JCPDS 87-2416），而ReS₂的衍射峰与扭曲的1T相（JCPDS 82-1379）相匹配。清晰锐利的衍射信号证实了这两种材料的高结晶度，确保了它们适合后续的器件制备。

结论

总之，具有几乎零费米能级偏移的MoS₂/ReS₂范德华异质结光电探测器为探究界面能带对齐与光电性能之间的内在关联提供了直接平台。在低功率紫外光照射下，优化后的器件实现了显著的响应度（R）为4.53×10⁴ A/W，外部量子效率（EQE）为1.5×10^{7D*）为1.6×1014 Jones，优于在相同条件下的单独MoS₂或ReS₂器件。光谱和}

器件制备

ReS₂和MoS₂薄片是通过基于透明胶带的机械剥离方法制备的。首先，使用透明胶带从块状单晶上剥离出厚薄片，然后通过反复剥离逐步减薄。接下来，将ReS₂和MoS₂薄片分别转移到聚二甲基硅氧烷上。利用转移平台，将ReS₂薄片精确对齐并堆叠在SiO₂（300 nm）/Si基底上的MoS₂薄片上，形成了2D ReS₂/MoS₂异质结。

CRediT作者贡献声明

杜春：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，资源准备，概念构思。苏嘉云：数据分析。刘子阳：数据分析。郑兆强：软件开发。姚建东：资源准备。陈一村：撰写 – 审稿与编辑，数据分析。段宣明：项目管理。