基于二维材料和宽禁带半导体异质结构的最新进展

随着人们对二维（Two dimensional，2D）材料研究的兴趣日益浓厚，近年来对二维异质结构进行了许多综述和报道，但目前还没有对宽禁带半导体（Wide Bandgap Semiconductor，WBS，主要是SiC或GaN）基二维异质结构的系统描述。二维材料的迷人特性，如无悬空键表面和层数可调带隙等，和宽禁带半导体高载流子迁移率、高热导率和大带隙、高击穿电压的特性，激发了人们对两者之间异质结构新物理探索的研究兴趣。此外，2D/WBS异质结构的良好晶格匹配有望提高外延二维材料的晶体质量和相关异质结的界面质量。考虑到二维异质结构领域的快速进展和前景，有必要及时地概述2D/WBS异质结构及其器件的最新发展，这将有利于推进该领域的研究和开发。

近日浙江大学杭州国际科创中心的王佩剑研究员和刘影博士后在国际老牌物理学期刊Journal of Physics: Condensed Matter上发表了题为Recent Progress of Heterostructures Based on Two Dimensional Materials and Wide Bandgap Semiconductors的特邀综述文章，概述了2D材料和WBS材料异质结应用的多样性和最新进展，提出了2D/WBS异质结构当前面临的挑战和未来有前景的研究方向。

二维（2D）材料具有丰富多样的特性，例如层数相关能带结构、有趣的自旋-能谷自由度和丰富的相结构，在微纳器件中展现出广阔的应用前景。同时，具有高击穿电压、高迁移率和高热导率的宽带隙半导体（WBS）在高频微波器件、高温和大功率电子器件中显示出重要的应用。多功能2D/WBS异质结构可以促进界面处的载流子传输，可能提供新的物理现象和应用，并提高电子和光电器件的性能。本综述概述了2D材料和WBS材料异质结构的优势，介绍了2D/WBS异质结构在不同应用领域的主要制备方法和进展，探讨了异质结构优异性能的物理机制，总结了2D/WBS异质结构在光电探测器、光催化剂、传感器、发光二极管和储能器件等方面的潜在应用，并提出了未来需要克服的主要障碍。该工作为未来基于SiC和GaN的二维异质结构的发展方向提供了非常有用的参考。

2D/WBS异质结器件应用前景示意图:

对于2D/SiC异质结构，目前对2D/SiC的研究主要集中在石墨烯/SiC异质结构，其次是SiC与TMDs和MXene的异质结构等。石墨烯/SiC异质结构的光电探测器表现出良好的性能，如高光响应度、EQE和探测率。另外，由于界面能带结构和高的界面质量，各种2D/SiC异质结构已被用作高效光催化剂，例如SnO₂/SiC异质结构器件在低电压下表现出高析氢速率和大电流密度。用于储能的CuS/SiC异质结构超级电容器也表现出高电容。此外，EGNWs/SiC/Si气体传感器实现了前所未有的灵敏度和快速响应。

2D SiC复合材料光催化性能的物理根源：

对于2D/GaN异质结构，由于GaN优异的电子迁移率和2D/GaN界面能带排列，它们在光电器件的发展中表现出明显的优势，尤其是MoS₂/GaN异质结构。不同MoS₂/GaN异质结构的光电探测器表现出高响应度和探测率，宽禁带/窄禁带的搭配也使得探测范围同时涵盖了紫外和可见波段。TMDs/GaN的异质结构在光催化和光解水方面也表现出良好的前景。此外，n-SnO₂/p-GaN异质结构的双色LED、高灵敏度气体传感器和新型MoS₂/GaN异质结构的PEC适配体传感器等多种器件，揭示了2D/GaN异质结构的巨大应用潜力。

2D MoS₂/GaN异质结构能带结构及相关气敏传感器的性能：

对比基于2D/GaN和2D/SiC的异质结构光电探测器，所描述的2D/GaN异质结构表现出更好的性能，其中，MoS₂/GaN的响应度远高于其他异质结构。MoS₂/GaN如此优异的光电性能归因于以下因素：（1）MoS₂/WBS的界面内建电场和异质结构的II型能带排列，这是石墨烯/WBS所不具备的。(2) 与SiC的间接带隙不同，GaN的直接带隙具有更高的光生载流子激发效率，能够增强MoS₂/GaN异质结的光响应度；(3) MoS₂/GaN的带边偏移比MoS₂/SiC大，导致界面上电荷转移势能更大；(4) GaN的电子迁移率(1300 cm²/V·s)高于SiC(典型4H-SiC的900 cm²/V·s)，使得2D/GaN异质结中光生载流子的抽取速度更快。

MoS₂/GaN异质结构光电探测器的示意图和对应的光响应度和探测率等性能：

总而言之，本综述主要关注2D/WBS异质结构材料的应用，涵盖多个主题，包括光电探测器、光催化、光电化学、光电二极管、新型传感器、储能器件和忆阻器器件。异质结构的界面效应，如能带排列、内建电场、缺陷、掺杂或界面处的超交换相互作用，对器件的性能具有至关重要的影响。本综述中介绍的各种2D/SiC和2D/GaN异质结构展示了2D/WBS异质结构应用的多样性，具有开发实用高性能器件的潜力。

尽管关于2D/WBS异质结构的理论预测或实验已有报道和证实，但对它们的研究仍处于初步阶段。2D/WBS异质结构的基础研究和实用器件都面临着许多挑战，但也面临着机遇。这些问题需要在进一步的应用中得到解决，例如(i) 功能在很大程度上取决于异质结构的质量，包括材料和界面的质量。(ii) 探索新物理，更深入地研究二维/WBS异质结构的光学、电学或磁学性质的调制机制对实现多功能至关重要。(iii) 设计和实现高性能和高一致性的设备模型，突破异质结构集成的关键科学问题，实现二维/WBS器件的有效和可扩展的集成互联等问题也迫在眉睫。

2D/WBS异质结构材料的集成将结合两者的独特特性，不仅为构建具有多种材料混合结构的选择提供灵活性，而且还能提供单种材料无法实现的新功能。此外，研究特定二维通道上的界面掺杂或缺陷对于异质结构器件小型化很重要。从器件小型化的角度来看，当通道尺寸变得与量子物理占据主导的空间尺寸相当时，会对器件工作有明显的影响。尽管对二维系统中界面特性的了解越来越多，但对二维异质结构界面特性的详细研究和分析仍然非常有限。相信这一激动人心的领域将为实现下一代电子学和光电子学器件开辟一条新途径。

论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-648X/ac5310

作者介绍：

王佩剑 研究员

在北京大学元培学院, 美国University of Pennsylvania, 美国University of Massachusetts, Amherst分别获得物理学学士、材料科学与工程硕士、物理学博士学位，随后在美国纽约州立大学(Buffalo)物理系做博士后研究。2021年进入浙江大学国际科创中心，入选科创百人计划。近三年来在ACS Nano, Nano Lett., Appl. Phys. Rev., Nat. Comm., Adv. Mater., Chem. Sci.等国际权威期刊发表论文14篇(8篇中科院一区)，其中第一作者/共同一作/通讯作者9篇，已授权2项专利，4项在审。主持国家自然科学基金青年基金一项。受邀为J. Magn. Magn. Mater.、Nanoscale、JPCC等国际刊物审稿。

刘影 博士后

2021年博士毕业于湖北大学，博士期间在美国Oakland University进行了两年的联合培养。目前主要研究二维材料及其异质结的制备、光电特性和忆阻特性的研究，以及二维异质结构光电探测器和忆阻器的设计与开发。共发表SCI论文20余篇，其中以第一作者身份在Sci. Rep.、Mater. Res. Bull.、JAP等期刊上发表了6篇文章，目前正在申请一项二维材料制备技术的发明专利。