浙大团队在二维半导体材料研究领域取得重要进展

浙大团队在二维半导体材料研究领域取得重要进展

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科学网

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近日，浙江大学郭芸帆团队在二维半导体材料研究领域取得重要进展。其AMR Viewpoint文章“Symmetry Manipulation of Two-Dimensional Semiconductors by Janus Structure”在线发表，总结了具有面外对称性破缺的Janus过渡金属硫化物的结构、性质、合成方法，及其在非线性光学、催化、光电子学等方面的研究进展，同时展望了该领域未来的研究方向。

研究背景与意义

晶体结构的对称性破缺是影响其电子能带结构和物理化学性质的重要因素。众多新奇的物性来源于材料的对称性破缺，如铁电极化、铁磁极化、体光伏效应、谷自旋极化等。如何在原子尺度实现对二维材料对称性的精准操纵，对于设计和开发新一代功能材料与器件至关重要。

Janus过渡金属硫化物（Janus TMDCs）具有天然的面外电偶极矩、内建电场和应力调制。这不仅有助于克服传统TMDCs在非线性光学，自旋电子学，压电电子学等领域的应用具有层数依赖等局限性，而且有望合成出前所未有的新材料，研究其新性质，探索全新应用。

研究内容与进展

Janus TMDCs，由MXY（M = Mo 或 W, X = S 或 Se, Y = Se 或 S）表示，即基于传统TMDCs的MX2结构，通过单原子层替换制得。因为X、Y两类硫属原子在电负性，原子半径等方面的差异，这类二维半导体具有内禀的面外对称性破缺。从而，为构筑由对称性调控的面内异质结和范德华异质结提供了新的思路。与此同时，Janus TMDCs继承了传统TMDCs多晶相的属性（如：具有半导体性的2H相和半金属性的1T'相），赋予了这类材料更加丰富的晶体结构和材料性质。

二维非对称半导体材料的控制制备是其性质研究和应用开发的基础。室温原子层替代法（RT-ALS）通过远程引入高活性的氢等离子体自由基，显著降低反应能垒。同时，在单原子层尺度温和地实现了M-X键的断裂和M-Y键的生成，为制备Janus 二维半导体提供了新的路径。尽管Janus TMDCs的合成已取得一定进展，但如何开发高转化率、高均匀性、高晶体质量的合成方法仍亟需进一步研究。

Janus TMDCs独特的晶体结构赋予其众多新奇的性质。与传统TMDCs相比，Janus TMDCs在非线性光学领域展现出优异的二次谐波（SHG）和高次谐波（HHG）响应。尤其是其1T'相，在THz频段的非线性光学特性更为显著。此外，由于打破了反演对称性，Janus TMDCs表现出优异的面外压电特性，有望应用于压电传感器。而其天然的内建电场能有效促进电子-空穴对的分离，一方面可以提升TMDCs在析氢反应中的催化活性，另一方面在体光伏效应和光电探测器等领域展现出巨大潜力。

未来展望

Janus TMDCs凭借其固有的面外对称性破缺，为二维材料在原子尺度的精准调控提供了新的自由度。目前，对于这类材料的研究方兴未艾。如何实现高质量、大面积的非对称材料的合成；如何开发更多种类的Janus二维材料（如：不同的元素组成、拓扑结构）；如何推动这类材料在非线性光学、光电子学、催化等领域的广泛应用是值得广大研究者共同努力的方向。