王笑教授在二维原子晶体及异质结光电调控研究上取得重要进展

wangfei

实现高质量低维半导体材料及异质结构，建立结构及能带的精确调控方法，是新型光电信息材料及集成器件研究的核心。在国家自然科学基金、湖南省科技计划等相关项目的支持下，我校纳米光子与集成器件研究团队王笑教授等致力于新型二维原子晶体及异质结可控制备和光电性能调控方面的研究，近期取得了多项重要进展。

二维原子晶体例如过渡金属硫族化物（TMDCs）由于其独特的光学和电学特性，近年来受到了广泛关注。TMDCs具有1T、2H以及3R等多种晶体相，由于其不同的堆垛结构和层间相互作用，分别在储氢催化、光电器件应用以及非线性光学等方向有广泛应用。然而，机械剥离方法以及化学气相沉积所得到的二维TMDCs材料通常是2H相，实现大面积3R相的可控生长一直是个巨大挑战。针对这个问题，研究团队采用了改进的温度选择性物理气相沉积方法，通过精确控制沉积温区，成功实现了大面积3R相的TMDCs（例如WS2和WSe2）的可控制备技术。同时，研究团队通过发展了高时空分辨的光谱分析技术有效验证了所获得材料的晶体结构及层间耦合特性，清晰观察到了3R相材料随层数增加而增强的二次谐波现象。大面积3R相TMDCs的可控合成和性能调控为二维材料不同晶体相调控以及二维非线性光学器件的发展上奠定了重要基础。

该研究成果以“Controlled Vapor Growth and Nonlinear Optical Applications of Large Area 3R Phase WS2 and WSe2 Atomic Layers ”为题近期发表在国际材料领域顶级期刊《Advanced Functional Materials》（影响因子13.325）上。博士生曾周晓松为本论文第一作者，王笑教授和潘安练教授为通讯作者（论文详见链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201806874）。

二维原子晶体异质节中的能带排布以及载流子行为调控

  

此外，二维原子晶体异质结的可控制备及能带排布调节是当前二维异质结研究的热点与难点。通常TMDCs材料之间形成的异质结，其能带排布普遍为type-II，因此界面的电荷转移行为固定。如何调控二维异质节间的能带排布结构从而控制其电荷转移行为，并使其在新的功能器件上得到应用是一个需要突破的重大难题。研究团队结合界面能带设计和生长调控，成功实现了原子层碘化铅（PbI2）在原子单层硒硫化钨合金（WS2(1-x)Se2x）结构表面上的有序外延生长，获得了能带可调的WS2(1-x)Se2x/PbI2垂直双原子层半导体异质结。通过调控底部合金中Se含量的组分，实现了异质结构的界面能带排列从type-I型（PbI2/WS2）连续调控到了type-II型（PbI2/WSe2）。其相应的界面电荷转移行为通过稳态、瞬态时空分辨发光光谱得到了表征和验证，即type-I表现为异质结中WS2发光的增强，而type-II表现为异质结中WSe2光致发光的淬灭。该纵向异质结实现的能带排布方式的转变、以及其层间电荷转移行为的调控，对二维半导体材料在光电子特性研究和集成信息器件应用上均具有非常重要的价值。

该研究成果以“Direct Vapor Growth of Two-Dimensional Vertical Heterostructures with Tunable Band Alignments and Interfacial Charge Transfer Behaviors”为题发表在顶级综合期刊Advanced Science 上 （IF=12.441）。博士生郑玮豪，郑弼元为共同第一作者分别负责了电荷转移动力学的研究和材料的制备。王笑教授和潘安练教授为论文的通讯作者（论文详见链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201802204）。

王笑教授于2016年7月入职湖南大学，加入潘安练教授领导的纳米光子与集成器件研究团队，并入选湖南省百人计划。回国短短两年多时间已取得多项重要研究成果，发表第一作者或通讯作者SCI一区论文8篇，其中在影响因子大于10的期刊发表论文5篇。在研主持国家自然科学基金委重大研究计划（培育项目）和面上项目各一项，湖南省科技创新平台与人才计划项目一项。