湖南大学在二维材料光电器件应用方面取得重要进展

　　湖南大学在二维材料光电器件应用方面取得重要进展

　　来源:化工院 记者: 宣传部 通讯员: 化工院

　　近日，微纳系统与器件课题组在二维材料光电器件应用方面取得重要进展，研究人员发现，过渡金属二硫族化合物通过剥离或合成，可以得到单层或者少量多层形式的TMDs，这就是二维TMDs(2D-TMDs)。2D-TMDs克服了石墨烯没有带隙的缺点，并保持了柔性、原子级厚度等优点，有望发展成为可取代硅的新型半导体材料。该研究成果以“Two-dimensional transition metal dichalcogenides as atomically thin semiconductors: opportunities and challenges” (Chem. Soc. Rev., 2015, DOI 10.1039/C5CS00507H，影响因子33.383)为题，发表在Chem. Soc. Rev.杂志。

　　这篇论文为我校化学化工学院特聘教授、美国加州大学教授段镶锋受Chem. Soc. Rev.杂志编辑邀请，与湖南大学相关研究人员(俞汝勤院士课题组和潘安练教授课题组)合作撰写。论文第一作者是化学化工学院的博士生段曦东。

　　二维层状材料是具有单原子层或几个原子层厚度的平面材料，有着特殊的物理化学性能，在光电功能器件、吸附与分离、催化等领域具有重要应用前景，是目前国际研究的前沿和热点领域之一。其中，石墨烯是最先受到人们重视的二维材料。但是，石墨没有带隙，严重限制了其在光电子领域的应用。过渡金属二硫族化合物(TMDs，如MoS2、WSe2等)是一大家簇层状材料。TMDs象石墨一样，通过共价键形成单原子层平面结构，层与层之间再通过范德华力结合形成多层或体相结构。通过剥离或合成，可以得到单层或者少量多层形式的TMDs，这就是二维TMDs(2D-TMDs)。在从体相向单层转变时，2D-TMDs的能带结构持续变化，可以从间接带隙半导体转变成直接带隙半导体。因而，2D-TMDs克服了石墨烯没有带隙的缺点，并保持了柔性、原子级厚度等优点，有望发展成为可取代硅的新型半导体材料。

　　本文是在段镶锋教授领导的科研团队研究基础之上，结合国际动态，综述了2D-TMDs作为半导体在电子和光电子领域应用取得的突破和存在的问题。本文主要介绍了2D-TMDs的分类、电子结构、基于2D-TMDs的新型器件(原子级厚的三极管、垂直三极管、新一代可调光伏器件和发光器件、TMD-TMD或TMD-石墨烯异质结器件)和2D-TMDs的合成进展(如CVD、MOCVD、合金和异质结的合成)。段镶锋教授和合作者认为2D-TMDs具有合适的维度、厚度、平整性、柔性、带隙和高的载流子迁移率，并可以形成垂直异质结、平面异质结和超晶格结，有望发展成为新一代的电子和光电子器件的平台。目前，主要依靠机械剥离法、PVD和CVD方法制备二维材料，再逐层堆叠形成垂直异质结。这些方法难以规模化，且可控性差，从而限制了包括2D-TMDs在内的二维材料的应用。因此，二维材料未来的挑战和机遇是发展可控性好的合成方法，以实现大面积单晶连续膜的合成、2D-TMD的定位生长和多种二维材料的集成生长，并高效率地制备出垂直异质结、平面异质结和超晶格结。

　　段镶锋教授课题组自2013底成立以来，在湖南大学和化学化工学院的大力支持下，经过近2年的发展已于2015年下半年基本完成了实验室建设，已建成了包含教授、多名博士和硕士生在内的科研团队。目前课题组已发表Nat. Nanotech. 1篇(2014, 9, 1024, 影响因子34.0)，Chem. Soc. Rev. 1篇(2015, DOI 10.1039/C5CS00507H，影响因子33.383)，接收Nano Lett. 1篇(影响因子11.5)，另有多篇论文在准备中;并与本校潘安练教授课题组合作在Phys. Rev. Lett.，Adv. Mater.等国际知名期刊上发表了多篇论文。由其牵头组织的湖南大学“微纳结构与器件测试公共平台”也已基本建成，即将对校内外开放。

　　责任编辑：李妍蓉