NML综述|二维横向异质结构的最近进展

Recent Advances in 2D Lateral Heterostructures

Jianwei Wang, Zhiqiang Li, Haiyuan Chen,Guangwei Deng, Xiaobin Niu*

Nano-Micro Lett. (2019) 11: 48

https://doi.org/10.1007/s40820-019-0276-y

    本文亮点     

1  总结了二维横向异质结相对于二维纵向异质结的优越特性。

2  总结了能够实现横向异质结的多种调制方法,即通过结构、应力和介电常数、掺杂和钝化等方式实现异质结构组份材料的性能调制,从而形成具有不同特性的横向同质材料异质结(A|A)和异质材料异质结(A|B)。

3  总结了化学气相沉积、激光辅助、热转化、双极电极沉积、衬底效应(应变及介电常数)等适用于横向异质结构合成的多种方法。

      内容简介   

尽管二维纵向异质结构已经广泛应用于新型器件设计,且表现出优越的器件性能,但是,层间不可避免的杂质和堆叠过程中取向的精确可控等因素制约了纵向二维异质结构的制备及其应用。

为了克服这些缺点,设计出符合应用需求的新型二维器件,二维横向异质结构作为一种可能的解决途径受到了人们的重视。

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电子科技大学牛晓滨课题组总结了二维横向异质结构的调制方法,主要包括结构(界面,宽度,纳米孔,厚度),掺杂和钝化,以及应力和介电常数调制。基于不同的调制方法,人们可以设计并获得异质结构。

其次,总结了基于二维横向异质结构造的电子和光电器件,并讨论了其器件性能。

第三,讨论了二维横向异质结的实验合成相关进展。最后给出二维横向异质结的发展前景展望。

      图文导读     

二维横向异质结构分类

二维横向异质结构按照结的类型可以分为同质材料异质结异质材料异质结

① 什么是同质材料异质结?

同质材料异质结就是基于一种材料,主要通过结构因素(界面,宽度,纳米孔,厚度)调制、特定掺杂和边缘钝化调制、应变调制和介电常数调制等方式形成的异质结。

② 什么是异质材料异质结?

而异质材料异质结就是基于两种不同种材料合成的异质结,原则上来讲,适用于同质材料异质结的调制方式也同样适用于异质材料异质结。

Q:横向二维异质结构有哪几种调制方式?

(一起来看吧!)

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▌结构因素(界面,宽度,纳米孔,厚度)调制

通过调制结构因素,如将不同的边缘的纳米带结合,如图1(a)所示;或者改变二维材料宽度,如图1(b)所示;采用不同的界面接触,如图1(c)所示;引入不同纳米孔,如图1(d)所示等方式都可以形成新型异质结构。

图1 (a) armchair边缘和zigzag边缘纳米带合成的异质结;(b)宽度为20和宽度为9的armchair边缘纳米带合成的异质结;(c) 5-5的黑磷和蓝磷八元和六元环状界面;(d) 圆形纳米孔石墨烯异质结示意图。

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▌特定掺杂和边缘钝化调制

通过引入特定掺杂以及边缘钝化也能够有效调制单层材料,从而形成异质结。

尽管相比较于三维材料的掺杂,二维材料的掺杂还比较难以实现,但是掺杂依然是一种能有效改变二维材料性质的手段,如图2(a),采用不同元素掺杂实现了对石墨烯性质的调制,从而形成异质结构。

图2(b)中通过改变掺杂位点来调制石墨烯纳米带的电子特性。边缘钝化作为一种有效的掺杂方式,已经受到人们的重视。

图2(c-d)是通过采用不同的边缘钝化方式形成的异质结构。由于边缘钝化比较容易实现,这种调制方法较多地用于构造自旋电子器件,已有很多相关理论研究工作发表。

图 2 (a) 硼和氮掺杂的armchair石墨烯纳米带p-n结; (b) 氮掺杂和边缘氢钝化下的zigzag 石墨烯纳米带异质结;(c) 左侧氢钝化、右侧氧钝化的zigzag石墨烯纳米带异质结; (d) 左侧双氢钝化,右侧单氢钝化的zigzag石墨烯纳米带异质结。

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▌应变和介电常数调制

如图3,通过两种不同的方法(i)拉伸-转移-释放(ii) 表面纳米柱阵列作为衬底,在二维材料中引入应变也是一种有效的调制方式。

图3. 引入应变的两种不同方法示意图:拉伸(a)-转移(b)-释放(c,d) 方法和表面纳米柱阵列衬底(e-g)。

   展 望  

通过对近年来的相关进展的回顾,我们认为二维横向异质结构在电子器件和光电器件领域的应用研究正在快速发展中,具有较大的发展潜力和空间。

未来工作可在以下两个方面进行研究探索:

研究横向二维异质材料异质结的调制方法,实现载流子输运特性的人工调控,并推动相关合成技术发展;

发展适用于横向二维同质异质结的制备合成方法,从实验上实现横向二维同质材料异质结的制备,优化器件设计,推动横向二维异质结在电子器件和光电子器件的应用。

 

作者简介

牛晓滨

(本文通讯作者)

教授

电子科技大学

主要研究方向

① 半导体和金属材料的微尺度结构生长和性质的理论研究、多尺度计算模拟;② 低维度材料的控制生长、物性表征;③ 低维材料在能源转换、量子信息器件、光电探测领域的应用等。

E-mail: xbniu@uestc.edu.cn

王建伟

(本文第一作者)

副研究员

电子科技大学材料与能源学院

主要研究方向

目前工作主要是采用密度泛函理论等计算方法,开展材料性质的理论设计及预测研究。具体包括半导体缺陷性质(缺陷工程)范德瓦尔斯异质结的新奇物理特性催化的微观机理等。

E-mail: jianwei_wang@uestc.edu.cn

李志强

硕士研究生

电子科技大学材料与能源学院

主要研究方向

基于第一性原理,开展对于二维材料及其异质结构的研究。

E-mail: lizhiqiang6871@qq.com

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