二維（2D）材料獨(dú)特的層依賴電子結(jié)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)其光生載流子動(dòng)力學(xué)（包括光生載流子產(chǎn)生、分離和界面轉(zhuǎn)移行為）的精確控制帶來了可能，深入揭示層數(shù)與電子結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系有望進(jìn)一步優(yōu)化和擴(kuò)展其光電應(yīng)用。有鑒于此，近日，杭州電子科技大學(xué)龍麗媛副教授、王敦輝教授課題組通過限閾生長策略高產(chǎn)率地合成了形貌均一、層厚連續(xù)可調(diào)的二維菱形相ZnIn2S4（R-ZIS），深入揭示了其電子能帶結(jié)構(gòu)的層依賴規(guī)律，并基于單一半導(dǎo)體同步實(shí)現(xiàn)了面向?qū)捁庾V和深紫外兩種應(yīng)用場景的自供電型光電探測器。通過基于硫源濃度調(diào)控的限閾生長策略，成功地將2D R-ZIS納米片陣列的層厚從多層（12層）連續(xù)調(diào)控至單層。隨著二維原子層層厚的減小，R-ZIS呈現(xiàn)出連續(xù)可調(diào)的直接帶隙（2.39 eV至2.77 eV），并伴隨著導(dǎo)帶底（CBM）和費(fèi)米能級（EF）的顯著上移。高度自洽的實(shí)驗(yàn)和DFT理論計(jì)算結(jié)果證明了這是由于二維原子層層間耦合作用的減弱與不可避免同步增加的Zn缺陷之間的協(xié)同效應(yīng)引起的。值得注意的是，通過調(diào)控R-ZIS的CBM和EF，他們成功調(diào)制了R-ZIS在光電化學(xué)（PEC）器件中的載流子動(dòng)力學(xué)，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)的光吸收帶寬、光生載流子分離效率、自供電能力及暗電流噪聲。得益于能帶結(jié)構(gòu)和載流子動(dòng)力學(xué)的調(diào)諧和優(yōu)化，他們在多層R-ZIS中實(shí)現(xiàn)了具有寬光譜（254-765 nm）、響應(yīng)速度快（12.3/5.3 ms）和響應(yīng)度高（90.29 mA W-1）的自供電PEC型光電探測器。同時(shí)，在單層R-ZIS中實(shí)現(xiàn)了在254 nm處具有超高比探測率（1.62×1012 Jones）的自供電PEC型深紫外光電探測器。以上兩種光電探測器在寬光譜和深紫外探測兩個(gè)領(lǐng)域都呈現(xiàn)出優(yōu)異的性能。這項(xiàng)工作從策略和機(jī)制上促進(jìn)了能帶結(jié)構(gòu)調(diào)控在2D材料光電器件領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。

圖1 層厚與能帶結(jié)構(gòu)調(diào)控示意圖以及深紫外與寬光譜光電探測性能對比

研究成果發(fā)表于國際知名期刊Advanced Functional Materials（中科院一區(qū)Top，影響因子18.5）上【Junjun Zhang, Liyuan Long, Chengyang Zhao et al. Achieving Tunable Band Structure and Photocarrier Dynamics by Regulating 2D Atomic Layer Stacking Toward High-Performance Self-Powered Broadband and Deep-UV Photodetection. Adv. Funct. Mater (2024). 】文獻(xiàn)鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202411401

杭州電子科技大學(xué)的龍麗媛副教授、王敦輝教授與顏士明副教授為論文的共同通訊作者，杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院碩士生張珺珺、微電子研究院龍麗媛副教授為該論文共同第一作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):62375072、12004089)，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):2023YFB3508400、2022YFB3504804)，福建省量子操縱與新能源材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(批準(zhǔn)號(hào)：QMNEM2013)的資助。