二维层状材料因其具有新颖的电子/光电子性质和与硅基技术高度的兼容性而引起研究人员越来越多的关注。此外，不同的二维材料可以借助弱范德华作用力自由的堆垛形成具有原子级平整界面的人工异质结构，这种异质结构通常被称为范德华异质结。通过选择不同的二维材料和特定的堆垛方式，各自的独特性质可以有机地结合在一起。从这一研究角度出发，范德华异质结提供了一个全新的平台去研究新型电子和光电子器件性质。近期，何军课题组成功搭建了基于石墨烯、氮化硼、二硫化钼和二碲化钼的非对称范德华异质结器件，并对其电输运/光电特性以及存储能力进行了系统的研究。在不同的偏压条件下，电荷载流子注入类型可以在隧穿和热激活之间切换。这种不对称的传输行为通过变温和光响应表征得到了进一步的证实。得益于垂直传输的巨大可调性，该异质结器件可被外界电场有效地调节，并在多种功能上同时展现出优异的性能。许多性能指标均是目前范德华异质结器件中报道的最高值，包括超高的电流开关比（6×10⁸）和明显的负跨导，以及栅极可调的整流特性。在温度为300 K和77 K时，电流整流比分别达到3×10⁷和10⁸。工作为光电探测器时，器件展现出高的光响应度（28.6 A/W）和光开关比（10⁷），以及明显的开路电压和短路电流。该研究成果以“High-performance, multifunctional devices based on asymmetric van der Waals heterostructures”为题在线发表在《自然·电子学》（Nature Electronics 2018, 1, 356-361）上。同期的《自然·电子学》以“Multifunctional devices from asymmetry”为题撰写了News & Views对该工作进行了专门评述。

范德华异质结具有出色的光电性能，但是范德华间隙引入的隧穿势垒限制了其在光电探测方面的应用。范德华间隙显着增加了光生载流子的注入势垒。日前，何军课题组展示了一种通用策略，可以消除范德华异质结中的范德华间隙。何军课题组通过退火的方式诱导出过渡金属硫族化物的空位，使其与非层状硫族化物半导体的界面悬挂键通过强的轨道杂化来桥接，从而消除范德华异质结中的范德华间隙。该异质结器件展现出优异的光电探测性能。许多性能指标均超同类范德华异质结器件几个数量级，比如，桥接的PbS / ReS₂，PbS / MoSe₂和PbS / MoS₂展现出超快的光响应时速度分别为30 μs，51 μs和43 μs，桥接的PbS / MoS₂和ZnTe / MoS₂异质结构的光触发开/关比超过10⁶和10⁵。相关研究成果日前以“Bridging the van der Waals interface for advanced optoelectronic devices”为题发表在Advanced Materials（doi.org/10.1002/adma.201906874）上。

结构示意图与光电探测特性

该研究工作得到了国家重点基础研发计划项目经费的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-018-0086-0

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201906874