《Materials Today Nano》混合异质结构：未来新型功能器件之路

导读：本文总结了二维材料/宽禁带材料异质结构的制备方法和能带对齐理论；介绍了铁电极化场和压电应力效应在二维/铁电异质结构中的应用；列举了二维/宽禁带半导体异质结构在探测器、场效应晶体管、光催化和气体传感器领域的研究进展；最后，总结了二维/宽禁带材料异质结构目前存在的问题，并展望了其未来发展方向。

综述背景

二维（2D）材料由于其优异的力、热、光、电性质，特别是独特的范德华力堆叠方式可以克服晶格失配障碍，为创造新型原子尺度的范德华（vdW）异质结构提供了绝佳的平台。除了全2DvdW异质结构外，vdW异质结构还兼具材料和结构的多样性，可以与零维（量子点），一维（纳米线），三维（体材料）相结合，形成混合异质结构。其中，三维宽禁带功能材料（WBG，带隙>3 eV）由于其良好的耐高压、抗辐照、高热导率等优点受到了广泛关注，而2D/WBGvdW异质结构也为实现新型原子尺度功能器件的发展和应用提供了研究方向。

综述简介

北京邮电大学吴真平副教授，香港理工大学郝建华教授等以“Hybrid heterostructures and devices based on two-dimensional layers and wide bandgap materials”为题在《Materials Today Nano》发表了邀请综述文章。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2588842020300213

该综述首先介绍了2D/WBG材料异质结构的制备方法，并详细探讨了2D/WBG异质结构的能带对齐理论。接下来，文章系统回顾了铁电极化场和压电应力效应在2D/铁电异质结构中的应用，并列举了2D/宽禁带半导体异质结构在探测器、场效应晶体管、光催化和气体传感器领域的研究进展，最后探讨了目前该领域的研究进展和存在研究难点，并对未来的研究方向提出了见解。

▲图1、常见二维材料、宽禁带半导体和铁电体的能带示意图。

▲图2、（a）BP-ZnO异质结示意图。（b）化学气相沉积法制备MoSe2工艺示意图。（c）GaN衬底和第3相MoSe2薄膜的照片。（d）单层MoS2/单层WSe2/GaN（上）和少层MoS2/GaN（下）的AFM图像。（e）蓝宝石衬底上生长的晶圆级MoS2薄膜的光学图像和横截面TEM图像。（f）MoS2/GaN（0001）的横截面TEM图像。

▲图3、（a）2D/WBG-vdW异质结构的原子结构和各种能带排列示意图：（b）欧姆接触，（c）肖特基接触，（d）I型跨骑，（e）II型交错，（f）III型错层。

▲图4、用PBE（左下区域）和HSE06（右上区域）计算的vdW异质结构能带排列表。绿色、红色和蓝色分别表示I型、II型和III型异质结构类型。两个彩色方框表示两种不同类型的机会相等。

▲图5、基于二维材料和铁电材料的异质结构。（a）石墨烯的输运性质。插图显示了石墨烯/PZT异质结构的示意图。（b）石墨烯在空气和真空中的输运特性。（c）基于MoS2和BTO的FTJ的I-V特性。（d）随电压变化的电阻开/关比。

▲图6、基于二维材料和压电PMN-PT的异质结构。（a）石墨烯/MoS2/PMN-PT异质结构示意图。（b）压电双轴应变在0～0.2%范围内调谐的MoS2的PL谱。（c）WSe2/PMN-PT异质结构示意图。（d）在PMN-PT上施加电场从−20-20kv/cm调谐的SPE的微PL谱。（e）PMN-PT上−20和20kv/cm电场调谐的SPE的微PL光谱。

▲图7、光电探测器。石墨烯/Ga2O3肖特基结光电探测器的结构图（a），在不同光强下的光响应（b）和光谱选择特性（c）。自组装石墨烯/GaN异质结探测器示意图（d），在360 nm光照条件下测量的I-V曲线（e）和光谱选择特性（f）。WS2/GaN光电探测器示意图（g）,器件的响应度和比探测率与光强度的函数关系（h）和紫外成像结果（i）。

▲图8、场效应晶体管。Ga2O3/WSe2结场效应晶体管示意图（a），器件的传输和跨导特性（b），器件的击穿电压可达144 V（c）。垂直Ga2O3/石墨烯势垒晶体管开关器件示意图（d），器件的关态击穿电压（e），器件击穿电场与其他报道的功率器件的比较（f）。E/D双型石墨烯/Ga2O3 MESFET示意图（g），直接耦合场效应晶体管逻辑逆变器（h），逻辑逆变器的电压传输特性（i）。

▲图9、气体传感器。MoS2/GaN气体传感器示意图（a）,反向偏压下氢气氛围下器件的能带图变化（b），不同温度下器件对氢气浓度测试的灵敏度（c）。rGO/AlGaN/GaN气体传感器原理图（d），在正偏压条件下，器件在NO2、NH3和SO2气氛中的能带图变化示意图（e），传感器气体浓度依赖响应曲线（f）。

▲图10、杂化异质结构中二维材料的形态。（a）GaN上MoSe2层的SEM图像。（b）GaN外延晶体上MoS2单层三角形的扫描电镜。GaN/AlGaN/GaN上生长的MoS2的TEM图像亮场（c），暗场（d），和选区电子衍射（SAED）图（e）。

结论与展望

综上，本综述系统讨论了2D/WBG异质结构的制备、能带结构设计和相关应用。虽然2D/WBG混合vdW异质结构在电子、光电子器件领域已经展现出优异的性能，但仍存在许多挑战和机遇。

1、目前研究的2D材料和WBG材料种类仍很少，以石墨烯为主，仍需要探索其他2D材料在本领域的应用。

2、铁电、压电材料目前仍只用于提供极化和应力来调控2D材料的物理特性，其耦合效应尚未完全理解。

3、制备获得高质量晶圆尺寸的2D/WBG混合异质结构是实现器件产业化的最大技术瓶颈。

作者介绍：

吴真平，北京邮电大学理学院副教授，博士生导师。长期从事新型信息功能材料与器件的研究工作，包括功能氧化物薄膜的外延生长和界面构筑，探索其在探测传感、信息技术、数据存储等领域的应用。在Applied Physics Letters, Optics Express, ACS Applied Materials &Interfaces等国内外著名学术期刊上发表SCI论文70余篇，论文引用2000余次，h因子23。

郝建华，香港理工大学应用物理学系教授，副系主任和研究委员会主席。主要研究方向包括（1）功能薄膜，二维层状材料和异质结及其器件；（2）用于光电子，生物医学和能源的发光材料与器件。发表了SCI杂志论文280篇。获得香港理工大学校长卓越成就奖和多个国际学术奖项。担任国际期刊InfoMat（Wiley）的副主编和Adv. Opt. Mater.等国际杂志的编委。在众多大会上作过大会/主题/辅导/邀请报告。入选为教育部长江学者讲座教授。当选为美国光学学会会士(OSA Fellow)，英国皇家化学学会会士(FRSC) 和英国物理学会会士(FInstP)。(研究组网页：http://ap.polyu.edu.hk/apjhhao/)

期刊介绍：

Materials TodayNano (简称 MT Nano)，是爱思唯尔旗下Materials Today家族系列期刊，由浙江大学张泽院士担任期刊主编。MT Nano于2018年3月出版了第1期，2019年11月被Scopus数据库收录，2020年8月被SCIE收录，也是极少数能跨过ESCI、直接被SCIE收录的期刊之一。MT Nano是一本宽泛纳米主题期刊，广泛接收纳米科学与纳米技术领域的research article、review、communication，并将于明年拥有第一个影响因子。