基于二維材料的壓電光電子學器件綜述

二維（2D）材料由于原子級超薄、可調帶隙和優異的光電性質，在柔性光電子學領域有著巨大的潛力。利用應變誘導的壓電勢或壓電極化電荷可以調控二維材料界面載流子的傳輸和光電過程，這種將壓電、半導體特性、光激發三者耦合產生的壓電光電子學效應推動了新型二維材料光電器件的開發，特別是壓電光電子學增強的光電探測、光電化學、氣體傳感和太陽能電池等方向。

據麥姆斯咨詢報道，針對近年來二維材料在壓電光電子學領域取得的研究進展，中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士、翟俊宜研究員等人進行了綜述分析，在《中國科學》期刊發表了題為“基于二維材料的壓電光電子學器件”的綜述文章，重點介紹了壓電光電子學的基本原理以及壓電光電子學效應調制的基于二維材料光電探測器、光電催化、氣體傳感器、太陽能電池的最新研究進展，并對這一新興領域未來的挑戰和科學突破進行了展望。

基于二維材料的壓電光電子學器件的原理是以應變誘導的電荷作為“門”電壓調控二維壓電半導體局部界面的載流子濃度和分布或者能帶結構，從而實現機械信號可調的光電性能，這為主動式柔性光電子學的實現開拓了新的道路。

壓電光電子學效應

壓電光電子學效應的調控機理

隨著材料合成在分子水平取得重要發展，二維材料中的壓電性越來越受到關注。六方二維半導體材料例如TMDCs (MX2, M=Mo, W; X=S, Se, Te)，由于非中心對稱結構具有本征壓電性，是低維壓電材料的理想候選者。此外，金屬和半導體之間形成肖特基接觸的器件是壓電光電子學的研究熱點之一。當金屬和半導體接觸時，在結區發生了電荷的重新分配，兩邊費米能級對齊達到熱平衡狀態，并在金屬-半導體（M-S）界面形成肖特基勢壘。對于具有良好壓電性的半導體，半導體一側附近的壓電電荷可以有效地調制肖特基勢壘高度（SBH），從而調節器件的電學輸運特性。與應變誘導的壓電電荷改變M-S接觸界面的SBH機理類似，p-n結處的能帶也可以由壓電電荷來調制，因此p-n結也是壓電光電子學中的常用結構之一。

金屬-半導體肖特基接觸界面和p-n結界面的壓電光電子學效應

基于二維材料的壓電光電子學研究進展

光電探測器是通過將吸收的光子能量轉換為電信號來測量光子通量或光功率的器件。對于肖特基或p-n結型光電探測器，界面處能帶結構的精準調控決定了器件的光電性能。近年來，二維層狀半導體由于帶隙可調、高遷移率和優越的機械性能，廣泛應用于光電子、柔性器件等領域。傳統基于二維材料的界面調控通常通過硬質襯底上施加靜電偏壓實現。然而，當制備柔性光電器件時，復雜制造工藝（如制備高質量的柵介質層）的引入和界面態的存在可能會降低電學性能。由于許多單原子層的二維材料具有本征壓電性，因此壓電光電子學效應可以作為界面調控的新型方法。

壓電光電子學效應調制的光電探測器

利用光催化或光電催化裂解水制氫和降解有機污染物被認為是當前能源可持續發展和環境整治最有前景的方法。催化過程中光生載流子在半導體表面的復合和捕獲是抑制光催化性能的重要因素。施加應變和光照時，應變誘導的內建電場和催化劑的能帶彎曲可以持續促進載流子的分離。同時對光催化劑界面能帶結構的調制同樣可以影響載流子的傳輸，最終影響光催化性能。二維少層MoS2同時具有壓電性和半導體特性，當打破其層間作用力暴露出更多的邊緣活性位點時可以提高催化性能，因此可以作為一種壓電輔助催化劑。

壓電光電子學效應調制的光電化學反應

未來的電子傳感系統需要高比表面積和超高靈敏度的氣體傳感器，而以往的傳感器均受限于較低的靈敏度、高成本和復雜的制造工藝。壓電光電子學效應增強的NO2傳感器在未來小型化、便攜式和超靈敏氣體傳感系統中表現出良好的應用前景。

此外，太陽能電池是一種通過光伏效應將太陽能轉化為電能的器件，利用p-n結或者M-S接觸的內建電場來對入射光誘導的電子-空穴對進行分離。目前壓電光電子學效應增強太陽能電池多采用基于第三代半導體量子點、納米線和薄膜的材料體系。二維材料具有獨特的光電特性，但目前基于二維材料的壓電光電子學效應調制太陽能電池還處在理論模型階段。

壓電光電子學效應調制的氣體傳感器和太陽能電池

研究展望

二維材料的超薄層狀結構和優異的物理、化學性質為研究壓電光電子學提供了理想的平臺。目前已經證明了壓電光電子學效應在基于二維材料的各種應用中的潛力，包括自供電系統、人機接口、光電傳感、能量收集和環境檢測等。

盡管這一新興領域取得了巨大的進展，但要全面了解并充分發展壓電光電子學，仍然面臨著巨大的挑戰。（1）需要繼續探索二維材料的壓電性。（2）二維壓電光電子器件的穩定性和可靠性需要重視。（3）將二維材料的壓電性與其他有趣的性質，如熱電性、鐵磁性、超導或自旋電子學有機結合，以促進產生新的技術應用或新物理學的科學突破。（4）需要更可行的表征方法來直接探測界面動力學和記錄應變時壓電極化電荷的動態分布。（5）需要計算并確認壓電電荷在不同缺陷中影響電子和空穴的定量關系。（6）二維材料的生長工藝需要進一步發展。這些研究對于合理設計、優化壓電光電子學器件、推動器件實用化進程和進一步發展學科體系至關重要。

審核編輯：劉清