二維材料是一類新興的材料，具有廣泛的電性能和潛在的實(shí)際應(yīng)用。雖然石墨烯是研究最深入的二維材料，但其他材料的單層，如絕緣的硼氮化物（BN）和半導(dǎo)體的MoS2或WSe2，作為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的應(yīng)用中已受到越來越多的關(guān)注。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）電氣工程系的Andras Kis教授（負(fù)責(zé)管理納米電子和結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室）與生物工程學(xué)Aleksandra Radenovic教授（管理納米生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室），早在2013年就在Nature Nanotechnology期刊中發(fā)表了一篇「Ultrasensitive photodetectors based on monolayer MoS2」文章，重點(diǎn)介紹單層MoS2。由于量子力學(xué)的限制，它是具有直接能隙的半導(dǎo)體，并探討它在光電子裝置中，特別是光伏電池中的應(yīng)用潛力。

單層MoS2具有六角結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)鉬原子夾在兩個(gè)硫原子之間。單層MoS2在布里渡（Brillouin）區(qū)域的K點(diǎn)處具有約1.8電子伏特的能隙，適合吸收可見光。單層MoS2可以吸收能隙以上的能量中的10%入射光。此外，單層MoS2由于直接能隙轉(zhuǎn)換而表現(xiàn)出強(qiáng)烈的光致發(fā)光，其增強(qiáng)后的效果相對(duì)于體材料高出1000倍。然而，單層MoS2的光致發(fā)光量子產(chǎn)率仍然很低，約為0.4％，這限制了它作為光發(fā)射器的效率。

本研究研究了不同的前沉積表面處理和接觸材料對(duì)光響應(yīng)衰減的影響。發(fā)現(xiàn)不同的表面清潔處理可以減少衰減時(shí)間。這可以通過功能化SiO2表面的親疏水性差異來解釋。使用不同的生長(zhǎng)技術(shù)，如濕法氧化和干法氧化來沉積SiO2，可以進(jìn)一步降低特征衰減時(shí)間τdecay。我們使用如下的SiO2表面處理方法進(jìn)行微機(jī)械剝離前的處理：KOH - SiO2基片在室溫下用30% KOH溶液浸泡30分鐘。然后用270W的RF功率進(jìn)行20分鐘的O2等離子體處理，最后進(jìn)行剝離。Piranha - SiO2基片在piranha清潔液（H2SO4:H2O2 3:1）中浸泡45分鐘。然后用270W的RF功率進(jìn)行20分鐘的O2等離子體處理，最后進(jìn)行剝離。HF - SiO2基片在2毫升50%甲酸中和70毫升去離子水中浸泡30秒。然后用270W的RF功率進(jìn)行20分鐘的O2等離子體處理，最后進(jìn)行剝離。使用不同的接觸金屬，如Ti/Au（10/50nm）或Cr/Au（10/50nm），可以進(jìn)一步減小衰減時(shí)間，但以犧牲光響應(yīng)靈敏度為代價(jià)，低的衰減時(shí)間τdecay為320毫秒，采用Cr/Au接觸和濕法氧化生長(zhǎng)的SiO2器件。

另一方面，單層MoS2作為光吸收劑和光催化劑顯示出很大的潛力。最近的研究表明，具有提高的器件遷移率和開路電流的超敏單層MoS2光電晶體管已經(jīng)被成功實(shí)現(xiàn)。該器件在561納米波長(zhǎng)下表現(xiàn)出880安培每瓦特的最大外部光響應(yīng)度，這與其他二維材料報(bào)導(dǎo)的最佳數(shù)值相當(dāng)。高的響應(yīng)度歸因于單層MoS2在光激發(fā)下高效產(chǎn)生和分離電子-空穴對(duì)。

另一個(gè)令人興奮的應(yīng)用是單層MoS2在光伏電池中，它可以與有機(jī)或無(wú)機(jī)材料形成II型異質(zhì)結(jié)。II型異質(zhì)結(jié)是兩種具有不同能帶對(duì)齊的材料之間的結(jié)界，其中一種材料的導(dǎo)帶低點(diǎn)高于另一種材料的，而價(jià)帶最高點(diǎn)則低于另一種材料的。這樣形成的鏈接具有交錯(cuò)的能帶對(duì)齊，有利于電荷在結(jié)界上的分離和輸送。例如，單層MoS2可以與PTB7這種有機(jī)聚合物形成II型異質(zhì)接面，PTB7在有機(jī)太陽(yáng)電池中被廣泛應(yīng)用作為施體材料。該異質(zhì)結(jié)顯示出相互的光致發(fā)光熄滅和光伏效應(yīng)，表明兩種材料之間的電荷轉(zhuǎn)移高效率。異質(zhì)結(jié)的內(nèi)部量子效率在整個(gè)光吸收層厚度低于20納米時(shí)超過40％，使其相對(duì)于其他有機(jī)和無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池而言具有出色的吸光厚度的電流密度。

此外，單層MoS2還可以被摻雜以調(diào)整其電子結(jié)構(gòu)并增強(qiáng)其光催化活性。例如，p型摻雜可以在單層MoS2的能帶間隙中引入受體能級(jí)，這些能級(jí)可以作為電子陷阱，增加光產(chǎn)生的空穴的壽命。這可以改善可見光照射下單層MoS2的氫發(fā)生反應(yīng)。此外，摻雜還可以調(diào)節(jié)單層MoS2的能帶間隙和能量水平，與異質(zhì)結(jié)中的其他材料相匹配。

總之，單層MoS2是一種多功能的二維材料，在光電子裝置中，特別是光伏電池中具有許多潛在應(yīng)用。其直接能帶允許高吸收系數(shù)和在光激發(fā)下高效的電子-空穴對(duì)生成。它還可以與其他材料形成II型異質(zhì)結(jié)，實(shí)現(xiàn)電荷和過接面的傳輸。此外，它可以被摻雜以改變其電子結(jié)構(gòu)并增強(qiáng)其光催化活性。最近對(duì)包括液態(tài)剝離和化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)等大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，顯示出基于MoS2的集成光電子電路、光敏感、生物醫(yī)學(xué)成像、視頻記錄和光譜學(xué)中的應(yīng)用潛力。