最近，中科院半导体所半导体超晶格国家重点实验室李京波研究员、魏钟鸣研究员和李树深院士的科研团队，在新型二维半导体异质结及其光电器件的基础研究中取得系列重要进展。
二维原子晶体，包括石墨烯和过渡金属硫族化物（TMDs）例如MoS2、WS2和WSe2等已经被证明具有独特优良的光电性能，因此获得了研究者的广泛关注。最近两年，研究人员发现由不同原子晶体组装而成的范德瓦尔斯异质结也可以构成新的材料体系，它们结合了单独材料组分的优点，并为新奇物理现象和器件功能的研究提供了灵活而广阔的平台。其中，基于二维TMDs (MX2)的异质结由于具有较宽范围的光学带隙和强烈的光-物质相互作用，在未来光电子器件领域有重要的应用前景。理论上，MX2异质结往往具有II型带阶排列，这会促进电子空穴对的有效分离。实验上，原子层厚的MX2异质结也可以表现出超快电荷转移和可调控的层间耦合作用。
在这样的研究背景下，该研究团队与美国再生能源国家实验室魏苏淮小组合作，发现基于WSe2/WS2 的二维半导体异质结表现出独特的极性可调现象和自驱动光开关特性，该工作主要由博士生霍能杰完成。他们采用转移的方法制备了由P型WSe2和N型WS2 薄层结构组成的范德瓦尔斯异质结，并详细研究了它们的光学和电输运性能，如图1所示。
图1. WSe2/WS2异质结在不同偏压下极性可调的转移曲线，器件图和光开关特性曲线。
他们在WSe2/WS2 P-N异质结晶体管中观察到了明显的整流效应和双极性行为，整流比达到100，电子和空穴的场效应开关比均高达1000。由于异质结系统中表面和界面处的电荷陷阱，它还表现出了具有较大记忆窗口（栅压在正向扫描和反向扫描所产生的最大电压偏移）的迟滞现象。有意思的是，这种异质结能够在外加偏压的调制下而发生极性行为的转化，从N型或P型到双极型或反-双极型。这是因为异质结中的结效应、P沟道WSe2和N沟道WS2依次交替的控制着整个系统的电输运性质。同时由于内建势和II型带阶的存在，该异质结还展现出了良好的光伏特性和大幅度提高的自驱动光开关特性。在零偏压下，光电流依然能够在入射光源的开关下而重复的产生，响应时间小于20 ms，光开关比可达400，展现出高效的电子空穴分离和高质量的自驱动光开关性能。这些新奇的物理现象和器件功能表明WSe2/WS2 等二维异质结在未来的纳米电子器件和光电子器件，包括场效应管、探测器、光开关、关电池和存储器等领域中具有广阔的应用价值。相关论文近期在线发表在Wiley出版集团的《Small》杂志上，论文发表以后被Wiley旗下的Materials Views China网站进行了题为“极性可调的新型二维半导体异质结”的热点报道。
该研究团队还采用氧化还原石墨烯（rGO）薄膜，与MoS2薄层一起构筑了范德华尔斯异质结，并进行了光电器件的系统研究，该工作主要由博士生杨珏晗完成。相比较而言，文献报道的很多石墨烯/BN、石墨烯/MX2异质结的制备与器件测试，较高的输运性质往往只能在单层结构下获得，而且制备方法较为复杂。该研究团队在前期工作的基础上，在异质结体系中成功引入了采用一种简单溶液法制备的rGO薄膜（5到10nm厚），将其与MoS2薄层组合时，可以获得典型的双极性输运和超高的栅极可控光响应。
拉曼和光致发光的测试表明，MoS2/rGO异质结可以发生较强的界面耦合作用，形成能带弯曲。基于该MoS2/rGO薄层异质结的场效应晶体管，界面处明显的肖特基势垒能被栅压有效调控，因此在不同栅压和源漏电压下可以观测到MoS2导带或者价带参与的载流子输运，而获得典型的双极性输运性质。由于界面处内建势垒对光激发电子-空穴对的有效分离，该MoS2/rGO薄层异质结还展示出很高的光响应率（2.4×104 A/W）与光增益（4.7×104），并且光响应也显示出明显的栅极调控性质（如图2所示）。所获得的光响应实验数据比文献报道的单层（薄层）纯MoS2的最高值还高出一到两个数量级。相关结果近期在线发表在Wiley出版集团的《Advanced Electronic Materials》杂志上。该工作显示出MoS2/rGO薄层异质结在多功能光电器件中的潜在应用，并且有效拓展了新型异质结的制备方法。
图2. MoS2/rGO薄层异质结的栅极可控光响应和器件结构示意图
该系列工作得到了国家自然科学基金委员会、中国科学院和国家外国专家局的支持。相关论文的链接：
http://onlinelibrary.wiley.com/wol1/doi/10.1002/smll.201501206/full
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aelm.201500267/abstract