能带对准工程是促进光电子器件中电荷分离和转移的关键，它最终决定了基于范德华异质结构（vdWH）的光电探测器和发光二极管（LED）的行为。然而，vdWHs中的带隙对光电器件重要性能指标的影响还没有得到系统的分析。本文通过化学气相沉积（CVD）技术，研究了WSe₂/Bi₂Te_3-xSe_x-vdWHs（0≤x≤3）中能带取向的调控。实验和理论结果表明，合成的VDWH可以从I型（WSe₂/Bi₂Te₃）逐渐调谐到III型（WSe₂/Bi₂Se₃）。随着能带排列由I型向III型转变，vdWHs基光电探测器的响应率（58.12 a W⁻¹）和探测率（2.91×10¹² Jones）（I型）显著降低，超快光响应时间（III型）为3.2µs。此外，III型vdWH基LED在室温下的亮度和电致发光（EL）外量子效率（EQE）在基于过渡金属二卤化物（TMD）的p-n二极管中最高，这归因于带排列诱导的不同界面电荷注入。本工作为基本能带对准原理在未来光电子器件设计和制造中的应用和扩展提供了有价值的参考。
 

图1. WSe₂/Bi₂Te_3-xSe_x VDWH的制造工艺示意图，具有不同的带排列。a-c）WSe₂/Bi₂Te_{3 x}Se_x vdWHs生长的两步CVD策略。d） WSe₂/Bi₂Te_3-xSe_x vdWHs原子模型的侧视图。e） WSe₂/Bi₂Te_3-xSe_x-vdWHs（x=0、1.6和3）的原子分辨率HAADF干细胞图像，白色虚线突出显示周期性重复的moiré细胞。比例尺为1 nm。插入显示相应的FFT模式。标尺为2 nm⁻¹。f） Te和Se的EDS元素映射图像（x=0、1.6和3）。比例尺为500 nm。
 
 
图2. 不同硒含量WSe₂/Bi₂Te_3-xSe_x vdWHs的表征。一系列组分可调的WSe₂/Bi₂Te_3-xSe_x-vdWHs（x从0到3）的a-c）XPS、d）XRD和e）Raman光谱。f） 不同硒含量的WSe₂/Bi₂Te_3-xSe_x vdWHs的二维拉曼和XRD谱图。
 
 
图3. WSe₂/Bi₂Te_3-xSe_x-vdWHs的能带对准。a） 来自UPS的WSe₂/Bi₂Te_3-xSex vdWHs的导带、费米能级和价带。b） HOPG衬底上WSe₂和Bi₂Te_3-xSe_x（0≤x≤3）的KPFM表征表明在x=0、0.8、1.6、2.2和3时收集的Bi₂Te_3-xSe_x合金纳米片的接触电位差和功函数的演化，插入显示了典型的KPFM图像和相应的线轮廓。比例尺为10µm。c） 不同硒组分（x=0,0.8,1.6,2.2,3）合成的WSe₂/Bi₂Te_3-xSe_x vdWHs的能带排列。
 
 
图4. 不同带排列的WSe₂/Bi₂Te_3-xSe_x vdWHs的光电特性。a） 研究了合成的WSe₂/Bi₂Te_3-xSe_x-vdWHs在不同硒组分下的接触电位差和相应的能带图。描述了这些特性的演变，插入显示了典型的KPFM图像，说明了WSe₂/Bi₂Te_{3 x}Se_x VDWH中三种类型的带对齐。标尺为20µm。b） V_gs=0 V时WSe₂/Bi₂Te_{3 x}Se_x vdWH器件的输出曲线。c）WSe₂/Bi₂Se_3-vdWH器件正向电流的Fowler-Nordheim拟合。d） 在V_ds=1 V.e）在V_ds=-1、0和1 V.f）下WSe₂/Bi₂Te_3-xSe_x vdWH器件的响应度和探测率的比较WSe₂/Bi₂Te_3-xSe_x vdWH器件与其他2D光电探测器的光电性能总结。
 
 
图5. WSe₂/Bi₂Te_{3 x}Se_x vdWHs中的EL。a） 由生长的WSe₂/Bi₂Te_{3 x}Se_x vdWHs在正向偏压下制成的发光p-n异质结构的示意图。b） 1L-WSe₂的PL和WSe₂/Bi₂Te_3-xSe_x VDWH的EL，具有三种类型的带对齐。c） 分别在200 nA、120 nA和120 nA正向驱动电流下，I型、II型和III型VDWH的EL EQE的EL谱。在I型VDWH中，更高的驱动电流只会导致最弱的EL，这意味着其EL EQE远低于其他类型。d） 在具有三种不同类型带排列的WSe₂/Bi₂Te_{3 x}Se_x VDWH中，EL EQE是产生速率（产生速率表示每秒注入或激发载流子的面密度）的函数。器件的最大EQE达到≈0.20%。e） WSe₂/Bi₂Te_3-xSe_x VDWH的频带对准，具有足够的前向偏置以实现EL发射。势垒高度的降低是由于从III型到I型在价带最大处的能带偏移导致更显著的电子泄漏。f） 具有单个异质结构的2D LED。
 
        相关研究成果由中国科学院半导体研究所Zhongming Wei、东南大学Bei Zhao、Junpeng Lu和Zhenhua Ni课题组2024年发表在Advanced Materials (链接: https://doi.org/10.1002/adma.202400060)上。原文：Composition Modulation-Mediated Band Alignment Engineering from Type I to Type III in 2D vdW Heterostructures

转自《石墨烯研究》公众号