2023/7/6 10:33:45 阅读：89 发布者：
ent--><
研究背景
由于OD和2D混合材料和器件的潜在优势，近年来对这些混合结构的研究迅速增长。0D/2D 混合光电子学是指将石墨烯、过渡金属二氯化物(TMDs)和黑磷 (BP)等2D 材料与量子点和纳米粒子等 0D 材料整合为光电子系统组件。近年来，该领域的研究取得了重大进展，特别是在开发新的混合结构及其在光电子器件中的应用方面。一个主要的进展领域是高质量二维材料的合成和表征，以及它们与0D 材料的整合，以创建具有改进的光电性能的混合结构。该领域目前的一些研究趋势包括以下内容：
1) 0D/2D混合材料的合成和表征：研究人员正积极致力于开发新的方法来合成和表征高质量的OD/2D 混合材料。这包括控制混合结构中 OD 成分的大小、形状和分布的努力。
2)光电器件：该领域研究人员的主要关注领域之一是开发基于0D/2D 混合材料的新型光电器件，如光电探测器、光伏和发光二极管 (LED)。
3)传感：另一个重点领域是开发基于 0D/2D 混合材料的新型传感装置。这些装置利用混合结构独特的光学和电子特性，为一系列传感应用提供更好的灵敏度和选择性。
4)理论和计算研究：除了实验工作，研究人员还积极从事理论和计算研究，旨在了解 0D/2D 混合材料的基本特性，预测它们在各种光电装置中的行为。
尽管已经取得了进展，但要充分实现这些混合结构的潜力，仍有许多工作要做。与传统的光电材料和器件相比，混合 0D/2D 结构有以下几个优点：1)改善光电性能；2)增强电荷传输；3)器件设计的多样性；4)成本更低；5)改善环境稳定性；6)强烈的光物质相互作用。
这些混合材料与单独的二维材料相比有几个优点，包括以下几点：1)增强的电子和光学特性；2)改善稳定性；3)器件设计的多功能性；4)增加表面积；5) 特有的电子和光学特性。通过仔细选择混合结构中使用的二维材料，研究人员可以定制其电子和光学特性，以满足特定应用的具体要求。
研究成果
原子薄的二维过渡金属二氯化物(TMDS)最近在下一代电子和光电设备应用中受到关注。具有高载流子迁移率的TMD材料具有不同于块状半导体材料的优异电子特性。OD量子点(ODs拥有通过组成、直径和形态来调整其带隙的能力，这使得它们可以控制其光吸收和发射波长然而，ODs 表现出低电荷载流子迁移率和表面陷阱状态的存在，使其难以应用于电子和光申设备。因此，0D/2D 混合结构被认为是具有互补优势的功能材料，这些优势可能无法通过单一成分实现。这种优势使它们可以在下一代光电应用中作为传输层和活性层使用，如光电探测器、图像传感器、太阳能电池和发光二极管。Jong-Soo Lee教授在此着重介绍了与多组分混合材料有关的最新发现。还介绍了基于混合异质材料的电子和光电器件的研究趋势，并从材料和器件的角度讨论了有待解决的问题。相关报道以“Advances in Heterostructures for Optoelectronic Devices: Materials, Properties, Conduction Mechanisms, Device Applications”为题发表在Small Methods期刊上。
图文导读
Figure 1. Development flowchart of 2D and 0D materials as low-dimensional semiconductors.
Figure 2. a) The emission range of quantum dots (QDs) depends on their composition. QDs can be synthesized from various semiconductors. b,c)Hybrid 0D/2D structures with type I core/shell CdSe QDs. d,e) Hybrid 0D/2D structures with core/shell PbS QDs.
Figure 3. a,b) Chemical structures of various ligand species for PbS QDs. c) Vacuum energy shifts (ΔEvac, black arrows) for each ligand and decomposition into the interface (ΔEvac,1, red arrows) and intrinsic ligand (ΔEvac,2, blue arrows) dipoles. d) Complete energy level diagrams of PbS QDs exchanged with the ligands shown in (a) and (b).
Figure 4. a) 2D material candidates with varying electrical characteristics. b) 2D material bandgap and the corresponding wavelengths. c) Relation between the effective mass and carrier mobility of 2D material semiconductors.
Figure 5. a) Theoretical calculated E–K diagram of MoS2. b) Raman shift of MoS2. c) PL of MoS2 as a function of the number of layers. d) Schematic diagram of the exciton binding energy measurement method, and e) band diagram for the exciton binding energy of TMDs. f) Monolayer PL characterization of WS2, MoS2, WSe2, and MoSe2 (room temperature and 80 K). g)Table of measured optical and electronic bandgaps and exciton binding energy of the TMDs. h) Photocurrent mapping result according to gate voltage in a WSe2 asymmetric field effect phototransistor. i) Mechanism for measuring the exciton binding energy of few-layer WSe2. j) Band diagram schematic for calculating exciton binding energy.
Figure 6. a) Schematic diagram and transmission electron microscopy image of the heterojunction structure of MoS2 and WSe2 treated with PANs. b)PL in MoS2, WSe2, and their heterojunction as a function of PANs. c) Defect schematic diagram of h-BN. d) PL spectrum of short photon emitter of h-BN. e) Second-order correlation function g(2)(���). f) Single photon intensity according to the excitation laser power law.
Figure 7. a) Schematic diagram of the crystal structure of BP. b) PL spectrum of bulk BP. c) Plot of the Raman vibration ratio according to polarized excitation laser. d) Theoretically calculated bandgap modulation behavior of BP according to thickness. e,f) Atomic force microscope images showing the passivation effect of BP through h-BN. g) Surface roughness of BP as a function of oxidation time. h) Schematic diagram of the etching process using BP oxidation. i) Etching rate according to BP etching temperature.
Figure 8. Schematic diagram of photodetector operating mechanisms, photocurrent type.
总结与展望
在这篇综述中，作者总结了基于混合异质材料的电子和光电器件的最新研究趋势，并从材料和器件的角度提出了有待解决的问题。
混合0D/2D光电探测器已经展示了基于高增益效应的破纪录的响应性和检测性。使用OD和2D材料的混合结构的太阳能电池和LED 的有效方法也已被报道。然而，混合光电探测器的高增益导致了较差的线性动态范围，而且光学响应时间还不能满足广泛的应用。同样，采用二维异质结的太阳能电池和 LED 还没有达到足够的效率和大面积，目前仍处于概念验证阶段。
混合0D/2D 和2D/2D 太阳能电池由于其高效率、低成本和灵活性，是下一代光伏技术的有希望的候选者。该领域正在进行的研究集中在改善这些设备的性能和稳定性，并探索新的材料和设备架构以提高其效率。0D/2D 和 2D/2D 混合太阳能电池的一个有前途的研究方向是开发活性层的新材料。研究人员需要探索过氧化物、量子点和堆叠的多层TMD 材料的集成这些材料在其他类型的太阳能电池中表现出高效率，在混合器件中作为 2D 材料。这可以改善器件的光吸收和电荷载体传输特性。另一个研究方向可以是优化器件结构，以尽量减少由于重组和反射造成的损失。为此，混合结构可以提供一个理想的系统来增加光吸收和减少反射损失。此外，先进的器件结构，如串联或多结电池，可以提供替代方法来进一步提高 0D/2D 和2D/2D 混合太阳能电池的效率。
1)开发新材料：研究人员需要继续探索和开发用于 LED 活性层的新材料。这包括研究使用新型二维材料，如过氧化物、石墨烯和TMD，以及探索整合 OD 材料，如具有全色范围的量子点。
2)优化器件结构：为了提高 0D/2D 和2D/2D 混合型 LED 的效率和性能，研究人员需要优化器件结构和接口，以尽量减少非辐射重组造成的损失。这包括研究使用先进的器件结构如串联或多结 LED，并探索使用纳米结构来提高光提取效率。
3)增强稳定性：为了实现0D/2D 和2D/2D 混合 LED 的商业化，研究人员需要开发长期稳定和耐用的材料和器件结构。这涉及到开发封装和钝化技术以提高器件的稳定性和使用寿命。
4)开发低成本的制造方法：使 0D/2D 和2D/2D 混合 LED 能以低成本大规模生产，研究人员需要开发新的沉积技术，如溶液处理和印刷。这涉及到开发与现有技术兼容的可扩展的制造工艺。
5)与其他技术的整合：为了使 0D/2D 和2D/2D 混合 LED 得到广泛采用，研究人员需要探索它们与其他技术的整合，如传感器、显示器和通信系统。这涉及到研究开发可以集成到可穿戴电子设备和其他应用中的柔性和可拉伸的 LED 设备。
总的来说，0D/2D 和2D/2D 混合型 LED 的未来研究方向将集中在提高其效率、稳定性和可扩展性上，这将使该技术在固态照明、显示器和传感器等各种应用中得到广泛应用。
文献链接
Advances in Heterostructures for Optoelectronic Devices: Materials, Properties, Conduction Mechanisms, Device Applications
https://doi.org/10.1002/smtd.202300245
转自：“i学术i科研”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
