二維半導體光電性質與器件研究進展簡述

曹奕達

（衡水中學，河北衡水，053000）

二維半導體光電性質與器件研究進展簡述

曹奕達

（衡水中學，河北衡水，053000）

二維半導體材料，如過渡金屬硫族化合物，以其在光電器件方面展現出的獨特性能與巨大潛力，成為后摩爾時代有極大發展前景的新半導體材料。二維材料具有獨特的光電性質，如直接帶隙的電子結構，谷自旋電子學特性，強激子效應等，而利用以上性質，此類材料可用于光探測器、場效應晶體管、高效微納傳感器、光電子電路等微納光電器件中。因此，以過渡金屬硫族化合物為代表的二維半導體材料無論在基礎科學與未來應用方面，都是重要的備選材料。

二維材料； 過渡金屬硫族化合物； 光電器件； 石墨烯

0 引言

二維材料是由單原子層或多層原子組成的平面晶體結構材料，其性質與塊體材料有著極大的不同，有著特殊的物理化學性能，如圖1所示。[1]自2004年，科學家用機械剝離的方法制備了單層石墨烯，石墨烯便成為最先受到人們重視的二維材料。由于石墨烯導電性、導熱性、機械性能性能良好，有很高的載流子遷移率、熱導率，其在透明電極，鋰離子電池，太陽能電池電極、薄膜晶體管、透明顯示觸摸屏等有很多潛在應用。但是石墨沒有帶隙，這嚴重限制了其在光電器件領域的應用，而層狀二維半導體，如過渡金屬二硫族化合物（二硫化鉬、硫化鎢等）克服了石墨烯沒有帶隙的缺點，并保持了柔性、光電相互作用強、原子級厚度等優點，有望發展成為可取代硅的下一代新型半導體材料，在光電器件、吸附與分離、催化等領域具有重要應用前景。

圖1 石墨烯（左）與二硫化鉬（右）示意圖

1 二維半導體光電性質簡介

二維材料種類很多，以單層過渡金屬二硫族化合物為例，它是兩層鹵族元素夾一層過渡族金屬元素組成的三明治結構。[2]此種單層材的能帶結構與塊體有著很大不同。事實上，在費米面附近的電子結構則決定了材料的光電特性，而此單層材料在能帶中的K點與K’點簡并，由于反演對稱性的破缺與自旋軌道耦合，使得不同的能谷與贗自旋自由度產生耦合。由于有以上的特殊性質，其磁、光、電性質獨特，對于左旋、右旋的圓偏振光將有不同的響應，還可以觀測到谷霍爾效應。

二維材料的可見、紅衛光吸收特性主要被能帶的直接帶隙決定[2][3]，通過吸收光譜，可以觀測到除直接帶隙吸收之外的激子吸收特征峰，用此方法，在室溫下可以觀測到不同于塊體材料高達幾百毫電子伏的激子束縛能級，并且甚至可以觀測到更高階的準粒子態。而此類材料除了極大的激子束縛能之外，還有強激子吸收，強電子光子相互作用與短輻射壽命，這都為新一代光子學、光電器件提供了新發展方向。

2 二維半導體光電器件應用介紹

基于二維材料實用光電器件，正在蓬勃發展，如特種的光電探測器，激子光電二極管，自旋谷電流光發生器等。對于光探測器，二維材料的波長響應與傳統硅光電探測器有相似之處，但是其性能仍不能與已經成熟的硅器件相競爭，然而，由于此種材料良好的機械性能與可調節的電學特性，使得它在未來柔性、可穿戴光電器件，激子可調節器件與自旋谷激光器方面潛力無限。

對于光電探測器，其光電探測、光譜、成像功能在民用、通信、安保、軍事領域有巨大的需求，而二維新材料則有著獨特的性能特點。光電探測原理分為光電導與光伏等多種情況，光電導原理是根據內光電效應，利用高于材料帶隙能量的光子產生的非平衡載流子，提高了材料的導電性，改變材料電阻，探測到光電流信號，見圖2。光伏效應則是利用材料本身內在電場，驅動光生載流子，而產生電流信號。

圖2 二維材料平面內探測器示意圖與光導器件原理圖

二維材料的特殊之處則是因為它只有一個原子層的厚度，可以很容易的被靜電改變性質，并調節其光響應特性。利用二維材料，可以制作面內或面外的探測器。最近的研究結果表明，硒化鎢面外探測器的響應速度可以達到10皮秒，可成為高速光電探測器，而利用二硫化鉬晶體管做成的探測器的響應率可以達到880安培/瓦，成為高響應探測器。

除光電探測器，利用二維材料還可以制備激子發光二極管。發光二極管的原理是基于肖特基結或pn結，用電子與空穴的注入，在結區復合，產生電致發光。利用此種材料，已經有外量子效率達10%的發光二極管問世。同時利用二維材料的能谷自由度，還可以制成手性可調的發光二極管，當施加相對于晶格不同方向的電壓時，會有偏振度與手性可調的圓偏振光產生，原理如圖三。此種電致發光，可以在未來的通信、信息處理領域，產生更為重要的影響與推動。

在激光器應用領域，二維材料也有其特有的性能特征。因為將其置于微納光腔中將會極大的增強光電相互作用，使增益介質的性能提高，受激輻射最低閾值大幅降低。最近的研究表明，利用只有1瓦特/平方厘米的連續激光器泵浦，即可產生激光。[2] [4]利用二維材料，不僅可以制作低閾值激光器，還可以做量子點單光子發射器。量子點單光子發射器以其長激發態壽命，長自旋態相干時間令其在未來量子計算機中，成為極有潛力的基礎材料，而二維硒化鎢界面材料中的某些缺陷態則符合以上量子計算的基本要求。相比于其它系統，二維材料缺陷態的可調節性，可集成性更強，這為量子計算機的研發提供了重要的備選系統材料。

3 結語

雖然二維材料在光電器件有著諸多潛在的未來應用，而同時也面臨諸多挑戰。[5]如其光導器件的探測原理，激子分離等物理過程還有待進一步探索，且高質量的、高量子產率的材料制備，大規模高質量且均勻的塊體、薄膜材料制備，都是未來二維材料走向應用過程中，需要解決的問題。總之，在未來的二維材料領域，挑戰與機遇并存，在走向大規模實際應用的道路還依舊漫長，但在未來后硅基器件的時代，此類材料將會扮演越來越重要的角色。

[1]Konstantin S. Novoselov, Graphene: The Magic of Flat Carbon, The Electrochemical Society Interface ? Spring 2011

[2]Kin Fai Mak and Jie Shan, Photonics and optoelectronics of 2D semiconductor transition metal dichalcogenides, Nature Photonics 10, 216–226 （2016）

Research progress of two dimensional semiconductor optoelectronic properties and devices

Cao Yida
（Hengshui High School，Hengshui Hebei,053000）

two dimensional semiconductor materials, such as transition metal chalcogenides, with its unique performance show great potential in the field of optoelectronic devices, a new semiconductor material Moore era has great prospects for development. The two-dimensional material has unique photoelectric properties, electronic structure such as direct bandgap, valley spintronics characteristics, strong exciton effect, while using the above properties, such materials can be used in optical detector, field effect transistor, high efficient micro nano sensor, optoelectronic circuit micro nano optical devices. Therefore, twodimensional semiconductor materials represented by transition metal sulfides are important candidate materials in basic science and future applications.

two-dimensional materials; transition metal chalcogenide; optoelectronic devices; graphene

圖3 手性可調的發光二極管示意圖與發射光譜