英文原题：

Revealing the Modulation Effects on the Electronic Band Structures and Exciton Properties by Stacking Graphene/h-BN/MoS₂ Schottky Heterostructures

通讯作者：张荣君，复旦大学；李绍娟，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所

作者：Xudan Zhu (朱绪丹), Junbo He (何君博), Weiming Liu (刘未名), Yuxiang Zheng (郑玉祥), Chuanxiang Sheng (盛传祥), Yi Luo (罗毅), Shaojuan Li (李绍娟), Rongjun Zhang (张荣君), Junhao Chu (褚君浩)

[背景介绍]

六方氮化硼(h-BN)因其无悬挂键/带电杂质的原子级平整表面、有效的介电屏蔽效应、异质界面的自清洁作用等特性，常常作为隧穿势垒层应用在二维异质结器件中，可以有效提升器件性能表现。然而，单层h-BN势垒层对层间耦合作用的调制效应及其对层间电荷转移阻隔强度的实验研究仍有较大探索空间。Graphene/MoS₂异质结之间为完美肖特基接触，势垒高度可调，在材料科学、凝聚态物理和光电应用等领域都受到了广泛关注。因此，本研究基于Graphene/h-BN/MoS₂隧穿异质结，综合多种光谱研究方法，实验探究单层h-BN势垒对异质结重要光学性质的调控作用，为相关隧穿异质结光电器件的设计奠定物理基础。

图1. a) Graphene/h-BN/MoS₂二维隧穿异质结结构，b) 能带对齐方式示意图；单层h-BN势垒对异质结c) 临界点跃迁能量和d-e) 激子性质的调控作用

[文章亮点]

近日，复旦大学张荣君教授、中科院长春光机所李绍娟研究员团队在ACS Applied Materials & Interfaces上发表了Graphene/h-BN/MoS₂肖特基异质结中单层h-BN对异质结电子能带结构和激子性质调控作用的研究。

图2. a) 薄膜的光电导率实部和b) 能量损失函数

实验发现，单层h-BN势垒层只可阻碍部分的层间电荷转移。并且，单层h-BN势垒层通过降低有效介电屏蔽和释放量子限制来削弱层间耦合效应。与此同时，单层h-BN势垒层不会改变异质结带隙附近的电子能带结构（图3a），石墨烯狄拉克锥和MoS₂直接带隙在Graphene/h-BN/MoS₂异质结中都没有被破坏，所以该异质结仍可保持高效直接跃迁吸收，大部分光生载流子隧穿进入Graphene层被快速传导，这就是相关光电器件高光增益产生的原因。图2a-b可以看到，Graphene/h-BN/MoS₂的光电导率和等离子体集体激发相较Graphene/MoS₂都略有提高。除此之外，Graphene/h-BN/MoS₂的激子结合能相对Graphene/MoS₂发生红移，激子跃迁能量只发生轻微红移，说明相应激子器件的响应波长基本不变。

图3. 薄膜样品的a) 临界点跃迁能量，b) 激子跃迁能量和c) 激子束缚能比较

[总结/展望]

研究团队通过研究Graphene/h-BN/MoS₂和Graphene/MoS₂异质结宽谱光学性质的演变，利用多种光谱研究方法综合分析了单层h-BN势垒层对异质结电子能带结构和激子性质的调制效应，进而探究了单层h-BN对层间耦合作用的调制效应及其对层间电荷转移的阻碍强度。本文中报道的异质结宽谱（200-1000 nm）光学性质和对单层h-BN势垒层插入效应的分析，将有助于基于隧穿异质结的高效光电器件的开发和创新。

相关论文发表在ACS Applied Materials & Interfaces上，复旦大学博士后朱绪丹为文章的第一作者，张荣君教授和李绍娟研究员为通讯作者。研究工作受国家自然科学基金、国家重点研发计划项目、复旦-长光合作基金、应用光学国家重点实验室开放基金等资助。

通讯作者介绍：

张荣君 教授：复旦大学信息科学与工程学院教授，兼任复旦大学工程与应用技术研究院副院长，博士生导师；为Light Science & Applications期刊 Shanghai Office 负责人、《中国光学》编委；长期主要从事光电信息功能材料与器件、光谱分析系统等方面研究和教学。已主持包括国家科技重大专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金和重点企事业单位合作等科研课题和项目近20项，曾获教育部国家技术发明奖一等奖等奖励。已在国内外高水平学术期刊发表论文180余篇，其中ESI高被引论文3篇。获“中国光学重要成果”(现更名为中国光学十大进展)一项。

个人主页链接：https://optics.fudan.edu.cn/29/78/c39763a469368/page.htm

李绍娟 研究员：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研究员，国家优秀青年基金获得者，中国科学院高层次引进人才。主要致力于新型低维光功能器件方面的研究，以通讯和第一作者，在Nature，ACS Nano，Advanced Functional Materials, Advanced Science等刊物发表论文40余篇，会议论文及报告10余篇/次，多篇论文为ESI高引用论文和期刊封面，1项研究工作获评“中国光学十大研究进展（基础研究类）”。申请国内专利20余项，1项专利获得转化。参与撰写中英文专著章节各一章。现担任Wiley旗下《Infomat》期刊青年编委，《电子科技学刊》执行编委。主持国家自然科学基金优秀青年科学基金项目、中科院率先行动“引才计划”、国家自然科学基金面上项目等、作为骨干参与国家重点研发计划、基金委创新群体等各类国家/省部级项目多项。

出版信息：

ACS Applied Materials & Interfaces. 2023, 15, 1, 2468–2478

https://doi.org/10.1021/acsami.2c20100

Copyright © 2022 American Chemical Society

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c20100