电子系陈晓龙课题组揭示一维范德华晶界中的巨大体光伏效应
2024年01月23日 科研新闻 浏览量 :

近日,南科大电子与电气工程系(以下简称“电子系”)陈晓龙助理教授课题组在《自然通讯》(Nature Communications)上发表研究成果,论文题目为“Giant intrinsic photovoltaic effect in one-dimensional van der Waals grain boundaries”,揭示了在一维范德华晶界结构中发现了巨大的体光伏效应(Intrinsic/Bulk Photovoltaic Effect, IPVE/BPVE)。

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光伏效应是全面实现绿色能源的重要一环。然而,利用p-n结内置电场的传统光伏效应的转换效率已经逐渐达到理论极限。体光伏效应作为一种内禀的二阶非线性光电效应,是由材料晶体结构反转对称性破坏而产生的,其不依赖于电场或热梯度,因此成为了光伏器件突破效率极限的一种有效方法。范德华(vdW)层状材料具有低维、可调带隙、良好的柔韧性和丰富的种类的特点,是用来研究本征光伏效应的优秀材料。此外,晶界(GB)广泛存在于多种有着不同晶格对称性的范德华层状材料中,包括石墨烯、MoS2、ReS2和MoSe2。晶界结构可以在块体材料中进一步破坏晶界附近的晶格对称性,引出有别于块体材料的新特性。更重要的是,晶界引起的对称性破缺对块材晶格结构对称性没有要求限制,这大大丰富了体光伏效应的研究体系。因此,这些特性使一维范德华晶界结构成为研究本征光伏效应的一个有趣的平台。

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图 1.(a)具有多个晶畴的光电探测器在偏振光下的光学图像。两个相邻的晶畴分别用A(红色)和B(蓝色)标记。两个方向相反的相邻晶界用“↑”和“↓”表示,并分别用蓝色和红色虚线标记。(b)晶界附近的晶格结构俯视示意图。(c)短路光电流(Iph)在晶界上的空间分布。↑和↓ 晶界分别用蓝色和红色虚线标记。(d)本征光伏效应诱导的各种材料中的光电流密度。(e)晶界附近ReS2的能带示意图。沿x方向形成了量子阱结构。

本研究发现了在层状半导体ReS2的一维范德华晶界结构中存在巨大的本征光伏效应(见图1)。通过对晶界的晶格取向和对称性进行表征和分析,作者发现晶界区域仅存在着沿晶界方向的二重旋转对称性(见图1b),这意味着与ReS2块材中心对称的晶格结构相比,晶界区域的中心对称性发生了破缺,而此对称性破缺引入了与块体结构完全不同的物理性质。结合扫描光电流等测试手段,作者从实验上观测到ReS2晶界上产生了栅压可调的体光伏效应光电流(见图1b和c),同时结合理论计算表明这种巨大的光电流密度是由于晶界附近区域形成量子阱结构所导致的(见图1e)。

与以往的研究相比,该策略在以下几个方面具有独特性:一是晶界广泛存在于各种材料中,并具有各种各样的结构,这为体光伏效应和物理特性研究提供了广阔的平台。二是晶界存在在块体材料中,因此该策略对块体材料的晶体对称性没有要求。三是晶界区域附近量子阱结构的形成可以有效地抑制载流子向其他方向的耗散。四是与材料的边缘相比,晶界不存在悬挂键,因此晶界中电子缺陷散射的减少可以抑制光生载流子的散射,从而增强体光伏效应的光电流。最后,通过调整材料生长条件或者施加应力等方式,可以生成和控制晶界的结构和密度,有助于拓展其在光伏器件领域的应用。

南方科技大学陈晓龙助理教授、虞祥龙研究助理教授及中科院苗金水教授为本文共同通讯作者,南科大电子系2020级博士研究生周永亨和新加坡国立大学周鑫博士为本文共同第一作者,南科大电子系为第一通讯单位。


论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-024-44792-4

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


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