基于二维材料的压电光电子学器件综述

二维（2D）材料由于原子级超薄、可调带隙和优异的光电性质，在柔性光电子学领域有着巨大的潜力。利用应变诱导的压电势或压电极化电荷可以调控二维材料界面载流子的传输和光电过程，这种将压电、半导体特性、光激发三者耦合产生的压电光电子学效应推动了新型二维材料光电器件的开发，特别是压电光电子学增强的光电探测、光电化学、气体传感和太阳能电池等方向。

据麦姆斯咨询报道，针对近年来二维材料在压电光电子学领域取得的研究进展，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、翟俊宜研究员等人进行了综述分析，在《中国科学》期刊发表了题为“基于二维材料的压电光电子学器件”的综述文章，重点介绍了压电光电子学的基本原理以及压电光电子学效应调制的基于二维材料光电探测器、光电催化、气体传感器、太阳能电池的最新研究进展，并对这一新兴领域未来的挑战和科学突破进行了展望。

基于二维材料的压电光电子学器件的原理是以应变诱导的电荷作为“门”电压调控二维压电半导体局部界面的载流子浓度和分布或者能带结构，从而实现机械信号可调的光电性能，这为主动式柔性光电子学的实现开拓了新的道路。

压电光电子学效应

压电光电子学效应的调控机理

随着材料合成在分子水平取得重要发展，二维材料中的压电性越来越受到关注。六方二维半导体材料例如TMDCs (MX2, M=Mo, W; X=S, Se, Te)，由于非中心对称结构具有本征压电性，是低维压电材料的理想候选者。此外，金属和半导体之间形成肖特基接触的器件是压电光电子学的研究热点之一。当金属和半导体接触时，在结区发生了电荷的重新分配，两边费米能级对齐达到热平衡状态，并在金属-半导体（M-S）界面形成肖特基势垒。对于具有良好压电性的半导体，半导体一侧附近的压电电荷可以有效地调制肖特基势垒高度（SBH），从而调节器件的电学输运特性。与应变诱导的压电电荷改变M-S接触界面的SBH机理类似，p-n结处的能带也可以由压电电荷来调制，因此p-n结也是压电光电子学中的常用结构之一。

金属-半导体肖特基接触界面和p-n结界面的压电光电子学效应

基于二维材料的压电光电子学研究进展

光电探测器是通过将吸收的光子能量转换为电信号来测量光子通量或光功率的器件。对于肖特基或p-n结型光电探测器，界面处能带结构的精准调控决定了器件的光电性能。近年来，二维层状半导体由于带隙可调、高迁移率和优越的机械性能，广泛应用于光电子、柔性器件等领域。传统基于二维材料的界面调控通常通过硬质衬底上施加静电偏压实现。然而，当制备柔性光电器件时，复杂制造工艺（如制备高质量的栅介质层）的引入和界面态的存在可能会降低电学性能。由于许多单原子层的二维材料具有本征压电性，因此压电光电子学效应可以作为界面调控的新型方法。

压电光电子学效应调制的光电探测器

利用光催化或光电催化裂解水制氢和降解有机污染物被认为是当前能源可持续发展和环境整治最有前景的方法。催化过程中光生载流子在半导体表面的复合和捕获是抑制光催化性能的重要因素。施加应变和光照时，应变诱导的内建电场和催化剂的能带弯曲可以持续促进载流子的分离。同时对光催化剂界面能带结构的调制同样可以影响载流子的传输，最终影响光催化性能。二维少层MoS2同时具有压电性和半导体特性，当打破其层间作用力暴露出更多的边缘活性位点时可以提高催化性能，因此可以作为一种压电辅助催化剂。

压电光电子学效应调制的光电化学反应

未来的电子传感系统需要高比表面积和超高灵敏度的气体传感器，而以往的传感器均受限于较低的灵敏度、高成本和复杂的制造工艺。压电光电子学效应增强的NO2传感器在未来小型化、便携式和超灵敏气体传感系统中表现出良好的应用前景。

此外，太阳能电池是一种通过光伏效应将太阳能转化为电能的器件，利用p-n结或者M-S接触的内建电场来对入射光诱导的电子-空穴对进行分离。目前压电光电子学效应增强太阳能电池多采用基于第三代半导体量子点、纳米线和薄膜的材料体系。二维材料具有独特的光电特性，但目前基于二维材料的压电光电子学效应调制太阳能电池还处在理论模型阶段。

压电光电子学效应调制的气体传感器和太阳能电池

研究展望

二维材料的超薄层状结构和优异的物理、化学性质为研究压电光电子学提供了理想的平台。目前已经证明了压电光电子学效应在基于二维材料的各种应用中的潜力，包括自供电系统、人机接口、光电传感、能量收集和环境检测等。

尽管这一新兴领域取得了巨大的进展，但要全面了解并充分发展压电光电子学，仍然面临着巨大的挑战。（1）需要继续探索二维材料的压电性。（2）二维压电光电子器件的稳定性和可靠性需要重视。（3）将二维材料的压电性与其他有趣的性质，如热电性、铁磁性、超导或自旋电子学有机结合，以促进产生新的技术应用或新物理学的科学突破。（4）需要更可行的表征方法来直接探测界面动力学和记录应变时压电极化电荷的动态分布。（5）需要计算并确认压电电荷在不同缺陷中影响电子和空穴的定量关系。（6）二维材料的生长工艺需要进一步发展。这些研究对于合理设计、优化压电光电子学器件、推动器件实用化进程和进一步发展学科体系至关重要。

审核编辑：刘清