【材料】基于原子级厚度碘化铅晶体的界面能带工程

来源：X-MOL（x-mol.com）

注：文末有研究团队简介 及本文科研思路分析

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。那么，有没有一种二维材料能够通过界面能带工程，对其他二维材料的光电性质起到不同的调控作用呢？近日，南京工业大学的王琳团队通用溶液法制备的高质量碘化铅与过渡金属硫化物（TMDs）结合，构建出了不同类型的异质结，从而使不同TMD材料出现迥异的发光性能变化。

近年来，二维材料种类日渐丰富，构筑范德华异质结的技术也日益成熟，为研发基于二维材料的功能化微纳器件奠定基础。然而很多二维材料为半金属（如石墨烯）和绝缘体（如氮化硼），而大部分单元素二维半导体如硅烯、锗烯等几乎不能从块体材料中获得，从而限制了其在光电器件中的应用。作为二维半导体材料的过渡金属硫化物（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，功能比较单一。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的都起到发光淬灭的作用。目前，仍然没有一种二维材料能够对TMDs的光电性质有多重调控作用。

南京工业大学王琳教授课题组开发利用原子级厚度的（PbI2）纳米片克服了上述缺陷。PbI2作为二维层状材料，具有大的原子序数，长期以来都被用于室温下的核辐射探测，但原子级厚度PbI2确很少有人进行研究。南京工业大学王琳课题组通过溶液法合成了超薄的高质量PbI2，将其与TMDs二维材料结合起来构建异质结。并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。

这一成果近期发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是南京工业大学博士研究生孙研。

该论文作者为： Yan Sun, Zhen Huang, Zishu Zhou, Jiangbin Wu, Liujiang Zhou, Yang Cheng, Jinqiu Liu, Chao Zhu, Maotao Yu, Peng Yu, Wei Zhu, Yue Liu, Jian Zhou, Bowen Liu, Hongguang Xie, Yi Cao, Hai Li, Xinran Wang, Kaihui Liu, Xiaoyong Wang, Jianpu Wang, Lin Wang, Wei Huang

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Band Structure Engineering of Interfacial Semiconductors Based on Atomically Thin Lead Iodide Crystals

Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201806562

王琳教授简介

王琳，南京工业大学先进材料研究院教授。2013年于香港科技大学取得博士学位2014年至2017年在瑞士日内瓦大学物理系工作，2017年就职于南京工业大学。

研究方向是新型二维纳米材料中的基础物理现象和优异电学性质：通过设计、制备和测量基于二维纳米材料的微纳米级电子器件，探索新奇微观电子行为和开发高效电学性能。先后在Nature Communications、Physical Review Letters、Advanced Materials、Nano Lettets 等SCI刊物上发表学术论文30余篇，同行引用700余次，获得了第八届中国青少年科技创新奖和欧洲材料学会青年科学家等荣誉称号。获得了第八届中国青少年科技创新奖和欧洲材料学会青年科学家等荣誉称号。

科研思路分析

Q：这项研究的想法是怎么产生的？

A：如上所述，开发新型二维半导体材料，灵活运用能带工程，是拓展二维材料应用的重要途径。而碘化铅材料作为传统层状半导体材料一直备受冷落，我们了解到碘化铅具有~2.5eV的光学带隙，能带受厚度可调，适合制备异质结，与其他二维材料进行界面能带调控。而且碘化铅是光电器件领域的“明星”材料-铅卤钙钛矿-的前驱体材料，合成高质量二维碘化铅以及探索其在能带调控中的作用对有利于推进二维钙钛矿材料的研究。

Q：在研究过程中遇到的最大挑战是什么以及是如何解决的？

A：本项研究最大的挑战是异质结制备过程中碘化铅纳米片的降解问题，碘化铅材料对热以及水蒸汽的耐受性不是很好，因此在制备异质结前后要注意保护碘化铅纳米片，转移过程尽量在手套箱中进行。在这个过程中，我们团队在制备范德华异质结方面积累了大量的经验。

Q：哪些领域的研究中最有可能从本项成果中获得帮助？本项研究成果有哪些可能的应用？

A：我们相信这项研究成果能够吸引不同领域科研工作者的关注，二维碘化铅晶体作为范德华异质结的组成材料，可能将带来新奇的物理现象，而且可以方便地调控半导体的界面性质，因此对凝聚态物理的研究可能起到帮助。另外，碘化铅作为铅卤钙钛矿材料的前驱体，因此该研究对于二维钙钛矿材料方向的探索也将有着促进作用。基于二维碘化铅晶体的Type-I型异质结能够提升材料的发光效率，可以应用到微型发光器件中，而Type-II型异质结能够有效地促进光生载流子的分离，可以应用到光电传感器中，因此将会推动微纳器件的研发与商业化。