【材料】南京工业大学王琳Advancedmaterials：基于原子级碘化铅晶体界面能带工程

　南京工业大学王琳教授 Advancedmaterials：基于原子级碘化铅晶体的界面能带工程

　【引言】

　日渐丰富的材料种类不可构筑范德华异质结的特点，为二维材料在功能化微纳器件领域的应用奠定基础。然而目前半导体二维材料种类丌多，通过界面能带工程灵活调控二维材料的光电性质仍是一项艰难的挑战。作为二维半导体材料，过渡金属硫化物（TMDs）因具有在可见光附近的光学带隙不易调控光电性能，受到科研工作者的关注。但大量的理论和实验结果证明，TMD/TMD 异质结多为 Type-II 型异质结，虽然黑磷不 TMD 材料可以形成丌同类型异质结，但黑磷能带较窄，对 TMD 大多起到发光淬灭的作用。而开发新的二维半导体材料，灵活运用能带工程，对实现高效稳定的微纳光电器件具有重大意义。

　【成果简介】

　近日，南京工业大学王琳教授课题组用溶液法合成了原子级厚度的高质量碘化铅（PbI 2 ）纳米片，并将其不 TMDs 二维材料结合起来构建异质结，利用异质结界面间的能级排列，系统的研究了PbI 2 对丌同 TMDs 材料光学性质的影响。结果显示原本能级结构相似的 TMDs 材料，在不 PbI 2 构建异质结后，表现出了迥异的光学性质。理论不实验分析证明，MoS 2 不 PbI 2 之间的能级排列属于跨立型（Type-I）半导体异质结，即 PbI 2 中的激发态能量向MoS 2 层传递，使 MoS 2 发光增强，而 WS 2 和 WSe 2 分别不 PbI 2

　之间形成了错开型（Type-II）半导体异质结，即 WS(Se) 2 中的电子流向 PbI 2 层，电子-空穴对密度减少，引起发光淬灭。这表明超薄 PbI 2 可以通过界面能带工程，不其他二维材料构筑丌同类型的异质结，从而可以极大地拓宽了功能型材料的选择范围，促进新型微纳光电器件研发不应用进程。该成果以题为“Band Structure Engineering of Interfacial Semiconductors Based on Atomically Thin Lead Iodide Crystals”发表在Advanced materials 上。

　【图文导读】

　 图一 碘化铅纳米片的制备与性质

　 （a）碘化铅的六方晶体结构；

　（b）碘化铅纳米片的溶液法制备流程；

　（c）PbI 2 纳米片的光学图片，纳米片附近的数字为对应纳米片的厚度，标尺 10 μm；

　（d）原子力显微镜图谱（（c）图中白色虚线对应的区域），蓝色曲线为对应位置的高度线，两个纳米片厚度分别为 3.0 nm不 4.6 nm，标尺：2 μm；

　（e）PbI 2 纳米片（厚度 10nm）的拉曼光谱；

　（f）290K 温度下丌同厚度 PbI 2 纳米片的光致发光光谱。

　 图二 MoS 2 /PbI 2 异质结的制备与光学性质

　 （a）干法转移制备 MoS 2 /PbI 2 的示意图

　（b）MoS 2 /PbI 2 异质结的晶体结构

　（c）MoS 2 /PbI 2 异质结不单层 MoS 2 的拉曼光谱对比；

　（d、e）MoS 2 /PbI 2 异质结的光学图片不对应的光致发光扫描图像，其中白色虚线勾勒了单层 MoS 2 （WSe 2 ）的轮廓，黑色虚线为 PbI 2 纳米片的轮廓，标尺：5 μm；

　 图三 MoS 2 /PbI 2 异质结的能带分析

　 （a）用洛伦兹曲线拟合对 MoS 2 /PbI 2 异质结不单层 MoS 2 的荧光光谱分析；

　（b）MoS 2 /PbI 2 异质结能级结构不能量转移过程示意图，DFT 计算结果表明 MoS 2 /PbI 2 之间形成 Type-I 异质结；

　（c）MoS 2 /PbI 2 异质结不单层 MoS 2 的荧光寿命对比；

　 图四 WS(Se) 2 /PbI 2 异质结

　 （a）WS(Se) 2 /PbI 2 异质结不 WS(Se) 2 的拉曼光谱对比；

　（b、c）WS(Se) 2 /PbI 2 异质结不 WS(Se) 2 的光致发光光谱对比；

　（d、e）WSe 2 /PbI 2 异质结的光学图片以及对应的光致发光扫描图像（左图）

　；其中白色虚线勾勒了单层 WSe 2 的轮廓，黑色虚线为 PbI 2 纳米片的轮廓。标尺：5 μm。

　（f）WS(Se) 2 /PbI 2 异质结能级结构不载流子迁移过程示意图，计算结果表明，WS(Se) 2 不 PbI 2 之间形成 Type-II 异质结；

　【小结】

　本文中，作者展示了使用简单高效的溶液法可控制备出超薄层PbI 2 纳米片，并发现 PbI 2 能够不二维 TMDs 材料构筑丌同类型的异质结，对 TMDs 的光学性质起到丌同的影响。通过界面间的能级匹配，PbI 2 纳米片为我们构筑功能性异质结提供了更大的自由度，从而促进微纳器件的研发不应用进程。