論文題目：Strong bulk photovoltaic effect in engineered edge-embedded van der Waals structures

發(fā)表期刊：Nature communications. IF:17.69

DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-023-39995-0

研究背景

      光能到電能的有效轉(zhuǎn)換是綠色能源領(lǐng)域的核心問(wèn)題?；趐-n結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)或光-熱電效應(yīng)的非本征光伏效應(yīng)已經(jīng)被學(xué)界廣泛地研究了幾十年，相應(yīng)器件的光電轉(zhuǎn)換率已達(dá)到理論極限。體致發(fā)光效應(yīng)（本征光電效應(yīng)）不依賴于外在電場(chǎng)和熱場(chǎng)梯度，理論上其能量轉(zhuǎn)換效率可以超過(guò)PN結(jié)的Shockley-Quiesser極限。

成果介紹

      近日，南方科技大學(xué)與南京工業(yè)大學(xué)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，通過(guò)構(gòu)建具有低對(duì)稱度的范德華包覆式納米邊緣結(jié)構(gòu)，觀察到了強(qiáng)體致發(fā)光效應(yīng)。該工作與以往的相關(guān)工作相比有兩個(gè)明顯的特點(diǎn)。第一，其提出的包覆式納米邊緣結(jié)構(gòu)，可以使用不同的范德華材料進(jìn)行搭建。第二，通過(guò)對(duì)稱分析發(fā)現(xiàn)，通過(guò)包覆式納米邊緣結(jié)構(gòu)所獲得的光致電流，在樣品的左邊和右邊有不同極性。這一點(diǎn)與非本征光伏效應(yīng)所產(chǎn)生的電流有顯著的不同。該工作以Strong bulk photovoltaic effect in engineered edge-embedded van der Waals structures為題，于2023年7月在SCI期刊Nature communication上發(fā)表。

      值得注意的是，本文中ReS₂/ReS₂、MoS₂/MoS₂及WS₂/ReS₂等全部器件均使用小型臺(tái)式無(wú)掩膜直寫(xiě)光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3制備。該設(shè)備全自動(dòng)控制、結(jié)構(gòu)小巧緊湊(70cm x 70cm x 70cm)、無(wú)需掩膜版、高直寫(xiě)速度及高分辨率等特點(diǎn)，為本實(shí)驗(yàn)提供了方便高效的器件加工方案。

小型臺(tái)式無(wú)掩膜直寫(xiě)光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3

圖文導(dǎo)讀

圖1. 包覆式納米邊緣結(jié)構(gòu)示意圖。（a）ReS₂的STEM表征結(jié)果和晶格示意圖（b）在基底上無(wú)包覆結(jié)構(gòu)。（c）形成包覆納米邊緣結(jié)構(gòu)。（d）包覆式納米邊緣結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)示意圖。

圖2. （a）由ReS₂/ReS₂所構(gòu)成器件的光學(xué)照片。（b）器件結(jié)構(gòu)示意圖。（c）-（f）包覆式納米邊緣結(jié)構(gòu)的STEM表征結(jié)果。

圖3. 線性偏振相關(guān)光電流測(cè)量。（a）通過(guò)MicroWirter ML3所制備的ReS₂/ReS₂器件的光學(xué)照片。（b）-（d）在（a）圖中不同點(diǎn)的測(cè)量的偏振相關(guān)光電流結(jié)果。

圖4. 范德華異質(zhì)和同質(zhì)結(jié)構(gòu)器件的表征結(jié)果。（a）利用MicroWirter ML3所制備的由MoS₂/MoS₂所組成器件的光學(xué)照片，（b）相對(duì)應(yīng)的在包覆式納米邊緣左右兩邊所測(cè)量的光電流大小，（c）歸一化的體致光伏電流強(qiáng)度，和（d）邊緣部分和非邊緣部分不同方向上的光電流大小的變化。（e）WS₂/ReS₂異質(zhì)結(jié)構(gòu)光學(xué)器件的光學(xué)照片和（f）相對(duì)應(yīng)的在包覆式納米邊緣左右兩邊所測(cè)量的光電流大小。

圖5. 通過(guò)MicroWirter ML3所制備的hBN/ReS₂和ReS₂/hBN異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件。（a）ReS₂/hBN結(jié)構(gòu)器件的光學(xué)照片和（b）相對(duì)應(yīng)的光電流大小。（c）hBN/ReS₂器件的光學(xué)照片和（e）相對(duì)應(yīng)的光電流大小測(cè)量結(jié)果。

結(jié)論

      本文設(shè)計(jì)了一種包覆式納米邊緣結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有低幾何對(duì)稱性和明顯的局部特性。一方面，該結(jié)構(gòu)可沿y方向觀察到可檢測(cè)的體致光伏效應(yīng)光電流；另一方面，其滿足觀測(cè)強(qiáng)體致光伏效應(yīng)的所有優(yōu)點(diǎn)，包括半導(dǎo)體性質(zhì)、低維度和強(qiáng)對(duì)稱性破缺。這些觀察結(jié)果在不同的同質(zhì)和異質(zhì)結(jié)中都是可重復(fù)的。在本研究中，為了測(cè)量體致光伏特性，在整個(gè)器件制備過(guò)程中，小型臺(tái)式無(wú)掩膜直寫(xiě)光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3的精準(zhǔn)套刻功能和虛擬掩膜系統(tǒng)，為論文中器件的制備起到了保駕護(hù)航的作用。

精準(zhǔn)套刻功能：

      MicroWriter ML3具有標(biāo)記物自動(dòng)識(shí)別功能，通過(guò)點(diǎn)擊“Bulls-Eye"按鈕，系統(tǒng)自動(dòng)在顯微鏡圖像中識(shí)別光刻標(biāo)記。標(biāo)記物被識(shí)別后，將自動(dòng)將其移動(dòng)到顯微鏡中心位置，方便套刻的實(shí)現(xiàn)。MicroWriter ML3的套刻精度可達(dá)0.5 μm。

虛擬掩膜功能：

      MicroWriter ML3配有虛擬掩膜軟件，可以實(shí)時(shí)顯微觀測(cè)基體表面，并顯示預(yù)直寫(xiě)圖形位置。通過(guò)調(diào)整位置、角度，直到設(shè)計(jì)圖形按要求與已有結(jié)構(gòu)重合，保證直寫(xiě)準(zhǔn)確度。

相關(guān)產(chǎn)品：

1、小型臺(tái)式無(wú)掩膜直寫(xiě)光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3