近日，南科大电子与电气工程系陈晓龙助理教授课题组在《自然通讯》（Nature Communications）上发表研究成果，在基于范德华层状材料的边缘嵌入结构中发现了体光伏效应（Bulk Photovoltaic Effect, BPVE）。

高效地将光转化为电能是生态友好型能源收集的核心，然而基于p-n结内置电场等传统光伏效应其效率逐渐达到理论极限。体光伏效应是材料晶格反转对称性破坏而产生的一种内禀二阶非线性光学效应，由于它不依赖于外部电场或热梯度，因此可以克服这种效率极限。范德华(van der Waals，vdW)层状材料具有低维、种类丰富、柔韧性好等特点，为体光伏效应的研究提供了又一个理想的平台。虽然大多数范德华材料都具有晶格反转对称性，但在材料边缘周期性结构被打破，有望实现较强的体光伏效应现象。然而，对于大多数范德华材料，包括MoS2和ReS2，纳米边缘的体光伏效应要么可以忽略不计，要么与外部效应无法区分。

本工作通过构建低对称性、准一维、边缘嵌入的范德华同质或异质结构(参见图1)，在其中发现了强烈的体光伏效应。边缘嵌入结构的物理性质不同于块体结构，因为该局部区域存在准一维的边缘态和应变。与以往的研究相比，本工作在两个方面是独一无二的。首先，所提出的边缘嵌入式结构可能有数千种配置，因为可以方便地使用各种范德华层状材料来构建。种类繁多的边缘嵌入范德华结构为物理和器件工程提供了有潜力的平台。其次，对称性分析表明，体光伏效应诱导的光电流在左右边缘嵌入结构处具有相反的极性，而非本征光伏效应诱导的光电流具有相同的极性。因此，左右边缘的几何对称性，使得能够区分体光伏效应本征光电流和非本征的光电流。

图1：a、b，边缘嵌入结构vdW同质或异质结构的截面图。底缘区和顶端vdW材料之间的有效vdW耦合可以导致强烈的对称性破缺和准一维边缘嵌入结构，这些结构具有强烈的BPVE效应。符号“•” 和 “×”分别表示BPVE光电流IBPVE的y和-y方向。紫色区域代表衬底。c，ReS2/ReS2同质结构器件的光学图像。左(xL)和右(xR)边缘嵌入结构由蓝色和红色实线表示。底部和顶部的ReS2分别由黑色和红色虚线包围。比例尺为10微米。d，光电流，由电极2和3沿左(蓝点)和右(橙点)边缘检测。紫色阴影区域显示了边缘嵌入结构的位置。黄色阴影区域表示电极的位置。沿左右边缘嵌入区观察到相反方向的光电流。

南方科技大学陈晓龙助理教授、虞祥龙研究助理教授及南京工业大学王琳教授为本文共同通讯作者，南科大2022级博士研究生梁子寒、2019届博士研究生张乐和新加坡国立大学周鑫博士为本文共同第一作者，南科大电子与电气工程系为第一通讯单位。

论文链接： https://www.nature.com/articles/s41467-023-39995-0

供稿单位：电子与电气工程系

通讯员：高青

主图：丘妍

编辑：周易霖