南京工业大学王琳教授Advanced materials：基于原子级碘化铅晶体的界面能带工程

【引言】

日渐丰富的材料种类与可构筑范德华异质结的特点，为二维材料在功能化微纳器件领域的应用奠定基础。然而目前半导体二维材料种类不多，通过界面能带工程灵活调控二维材料的光电性质仍是一项艰难的挑战。作为二维半导体材料，过渡金属硫化物（TMDs）因具有在可见光附近的光学带隙与易调控光电性能，受到科研工作者的关注。但大量的理论和实验结果证明，TMD/TMD异质结多为Type-II型异质结，虽然黑磷与TMD材料可以形成不同类型异质结，但黑磷能带较窄，对TMD大多起到发光淬灭的作用。而开发新的二维半导体材料，灵活运用能带工程，对实现高效稳定的微纳光电器件具有重大意义。

【成果简介】

近日，南京工业大学王琳教授课题组用溶液法合成了原子级厚度的高质量碘化铅（PbI₂）纳米片，并将其与TMDs二维材料结合起来构建异质结，利用异质结界面间的能级排列，系统的研究了PbI₂对不同TMDs材料光学性质的影响。结果显示原本能级结构相似的TMDs材料，在与PbI₂构建异质结后，表现出了迥异的光学性质。理论与实验分析证明，MoS₂与PbI₂之间的能级排列属于跨立型（Type-I）半导体异质结，即PbI₂中的激发态能量向MoS₂层传递，使MoS₂发光增强，而WS₂和WSe₂分别与PbI₂之间形成了错开型（Type-II）半导体异质结，即WS(Se)₂中的电子流向PbI₂层，电子-空穴对密度减少，引起发光淬灭。这表明超薄PbI₂可以通过界面能带工程，与其他二维材料构筑不同类型的异质结，从而可以极大地拓宽了功能型材料的选择范围，促进新型微纳光电器件研发与应用进程。该成果以题为“Band Structure Engineering of Interfacial Semiconductors Based on Atomically Thin Lead Iodide Crystals”发表在Advanced materials上。

【图文导读】

图一 碘化铅纳米片的制备与性质

（a）碘化铅的六方晶体结构；

（b）碘化铅纳米片的溶液法制备流程；

（c）PbI₂纳米片的光学图片，纳米片附近的数字为对应纳米片的厚度，标尺10 μm；

（d）原子力显微镜图谱（（c）图中白色虚线对应的区域），蓝色曲线为对应位置的高度线，两个纳米片厚度分别为3.0 nm与4.6 nm，标尺：2 μm；

（e）PbI₂纳米片（厚度10nm）的拉曼光谱；

（f）290K温度下不同厚度PbI₂纳米片的光致发光光谱。

图二 MoS₂/PbI₂异质结的制备与光学性质

（a）干法转移制备MoS₂/PbI₂的示意图

（b）MoS₂/PbI₂异质结的晶体结构

（c）MoS₂/PbI₂异质结与单层MoS₂的拉曼光谱对比；

（d、e）MoS₂/PbI₂异质结的光学图片与对应的光致发光扫描图像，其中白色虚线勾勒了单层MoS₂（WSe₂）的轮廓，黑色虚线为PbI₂纳米片的轮廓，标尺：5 μm；

图三MoS₂/PbI₂异质结的能带分析

（a）用洛伦兹曲线拟合对MoS₂/PbI₂异质结与单层MoS₂的荧光光谱分析；

（b）MoS₂/PbI₂异质结能级结构与能量转移过程示意图，DFT计算结果表明MoS₂与PbI₂之间形成Type-I异质结；

（c）MoS₂/PbI₂异质结与单层MoS₂ 的荧光寿命对比；

图四 WS(Se)₂/PbI₂异质结

（a）WS(Se)₂/PbI₂异质结与WS(Se)₂的拉曼光谱对比；

（b、c）WS(Se)₂/PbI₂异质结与WS(Se)₂的光致发光光谱对比；

（d、e）WSe₂/PbI₂异质结的光学图片以及对应的光致发光扫描图像（左图） ；其中白色虚线勾勒了单层WSe₂的轮廓，黑色虚线为PbI₂纳米片的轮廓。标尺：5 μm。

（f）WS(Se)₂/PbI₂异质结能级结构与载流子迁移过程示意图，计算结果表明，WS(Se)₂与PbI₂之间形成Type-II异质结；

【小结】

本文中，作者展示了使用简单高效的溶液法可控制备出超薄层PbI₂纳米片，并发现PbI₂能够与二维TMDs材料构筑不同类型的异质结，对TMDs的光学性质起到不同的影响。通过界面间的能级匹配，PbI₂纳米片为我们构筑功能性异质结提供了更大的自由度，从而促进微纳器件的研发与应用进程。

文献链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201806562

本文由南京工业大学王琳教授课题组供稿，材料人编辑部Alisa编辑。

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