二维半导体光电性质与器件研究进展简述

曹奕达

（衡水中学，河北衡水，053000）

二维半导体光电性质与器件研究进展简述

曹奕达

（衡水中学，河北衡水，053000）

二维半导体材料，如过渡金属硫族化合物，以其在光电器件方面展现出的独特性能与巨大潜力，成为后摩尔时代有极大发展前景的新半导体材料。二维材料具有独特的光电性质，如直接带隙的电子结构，谷自旋电子学特性，强激子效应等，而利用以上性质，此类材料可用于光探测器、场效应晶体管、高效微纳传感器、光电子电路等微纳光电器件中。因此，以过渡金属硫族化合物为代表的二维半导体材料无论在基础科学与未来应用方面，都是重要的备选材料。

二维材料； 过渡金属硫族化合物； 光电器件； 石墨烯

0 引言

二维材料是由单原子层或多层原子组成的平面晶体结构材料，其性质与块体材料有着极大的不同，有着特殊的物理化学性能，如图1所示。[1]自2004年，科学家用机械剥离的方法制备了单层石墨烯，石墨烯便成为最先受到人们重视的二维材料。由于石墨烯导电性、导热性、机械性能性能良好，有很高的载流子迁移率、热导率，其在透明电极，锂离子电池，太阳能电池电极、薄膜晶体管、透明显示触摸屏等有很多潜在应用。但是石墨没有带隙，这严重限制了其在光电器件领域的应用，而层状二维半导体，如过渡金属二硫族化合物（二硫化钼、硫化钨等）克服了石墨烯没有带隙的缺点，并保持了柔性、光电相互作用强、原子级厚度等优点，有望发展成为可取代硅的下一代新型半导体材料，在光电器件、吸附与分离、催化等领域具有重要应用前景。

图1 石墨烯（左）与二硫化钼（右）示意图

1 二维半导体光电性质简介

二维材料种类很多，以单层过渡金属二硫族化合物为例，它是两层卤族元素夹一层过渡族金属元素组成的三明治结构。[2]此种单层材的能带结构与块体有着很大不同。事实上，在费米面附近的电子结构则决定了材料的光电特性，而此单层材料在能带中的K点与K’点简并，由于反演对称性的破缺与自旋轨道耦合，使得不同的能谷与赝自旋自由度产生耦合。由于有以上的特殊性质，其磁、光、电性质独特，对于左旋、右旋的圆偏振光将有不同的响应，还可以观测到谷霍尔效应。

二维材料的可见、红卫光吸收特性主要被能带的直接带隙决定[2][3]，通过吸收光谱，可以观测到除直接带隙吸收之外的激子吸收特征峰，用此方法，在室温下可以观测到不同于块体材料高达几百毫电子伏的激子束缚能级，并且甚至可以观测到更高阶的准粒子态。而此类材料除了极大的激子束缚能之外，还有强激子吸收，强电子光子相互作用与短辐射寿命，这都为新一代光子学、光电器件提供了新发展方向。

2 二维半导体光电器件应用介绍

基于二维材料实用光电器件，正在蓬勃发展，如特种的光电探测器，激子光电二极管，自旋谷电流光发生器等。对于光探测器，二维材料的波长响应与传统硅光电探测器有相似之处，但是其性能仍不能与已经成熟的硅器件相竞争，然而，由于此种材料良好的机械性能与可调节的电学特性，使得它在未来柔性、可穿戴光电器件，激子可调节器件与自旋谷激光器方面潜力无限。

对于光电探测器，其光电探测、光谱、成像功能在民用、通信、安保、军事领域有巨大的需求，而二维新材料则有着独特的性能特点。光电探测原理分为光电导与光伏等多种情况，光电导原理是根据内光电效应，利用高于材料带隙能量的光子产生的非平衡载流子，提高了材料的导电性，改变材料电阻，探测到光电流信号，见图2。光伏效应则是利用材料本身内在电场，驱动光生载流子，而产生电流信号。

图2 二维材料平面内探测器示意图与光导器件原理图

二维材料的特殊之处则是因为它只有一个原子层的厚度，可以很容易的被静电改变性质，并调节其光响应特性。利用二维材料，可以制作面内或面外的探测器。最近的研究结果表明，硒化钨面外探测器的响应速度可以达到10皮秒，可成为高速光电探测器，而利用二硫化钼晶体管做成的探测器的响应率可以达到880安培/瓦，成为高响应探测器。

除光电探测器，利用二维材料还可以制备激子发光二极管。发光二极管的原理是基于肖特基结或pn结，用电子与空穴的注入，在结区复合，产生电致发光。利用此种材料，已经有外量子效率达10%的发光二极管问世。同时利用二维材料的能谷自由度，还可以制成手性可调的发光二极管，当施加相对于晶格不同方向的电压时，会有偏振度与手性可调的圆偏振光产生，原理如图三。此种电致发光，可以在未来的通信、信息处理领域，产生更为重要的影响与推动。

在激光器应用领域，二维材料也有其特有的性能特征。因为将其置于微纳光腔中将会极大的增强光电相互作用，使增益介质的性能提高，受激辐射最低阈值大幅降低。最近的研究表明，利用只有1瓦特/平方厘米的连续激光器泵浦，即可产生激光。[2] [4]利用二维材料，不仅可以制作低阈值激光器，还可以做量子点单光子发射器。量子点单光子发射器以其长激发态寿命，长自旋态相干时间令其在未来量子计算机中，成为极有潜力的基础材料，而二维硒化钨界面材料中的某些缺陷态则符合以上量子计算的基本要求。相比于其它系统，二维材料缺陷态的可调节性，可集成性更强，这为量子计算机的研发提供了重要的备选系统材料。

3 结语

虽然二维材料在光电器件有着诸多潜在的未来应用，而同时也面临诸多挑战。[5]如其光导器件的探测原理，激子分离等物理过程还有待进一步探索，且高质量的、高量子产率的材料制备，大规模高质量且均匀的块体、薄膜材料制备，都是未来二维材料走向应用过程中，需要解决的问题。总之，在未来的二维材料领域，挑战与机遇并存，在走向大规模实际应用的道路还依旧漫长，但在未来后硅基器件的时代，此类材料将会扮演越来越重要的角色。

[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

图3 手性可调的发光二极管示意图与发射光谱