物语 | 范德华异质结中光电转化和存储的共同实现

本期我们介绍的工作是姜昱丞副教授发表在Physical Review Letters上的论文Coexistence of Photoelectric Conversion and Storage in van der Waals Heterojunctions，该文以Editor Suggestion和Featured in Physics的形式被重点报道，并在APS旗下的Physics网站作为Focus Story进行宣传介绍。这篇PRL的工作最近还被Science转载报道，链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.acz9860

(doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.217401)

本工作采用了构建范德华异质结的简单策略，将二维材料WSe₂ 层和准二维电子气结合，首次实现了单个设备的光电转换和存储。

Van der Waals (vdW) heterojunctions, based on two-dimensional (2D) materials, have great potential for the development of ecofriendly and high-efficiency nanodevices, which shows valuable applications as photovoltaic cells, photodetectors, etc. However, the coexistence of photoelectric conversion and storage in a single device has not been achieved until now. Here, we demonstrate a simple strategy to construct a vdW p−n junction between a WSe₂ layer and quasi-2D electron gas. After an optical illumination, the device stores the light-generated carriers for up to seven days, and then releases a very large photocurrent of 2.9 mA with bias voltage applied in darkness; this is referred to as chargeable photoconductivity (CPC), which completely differs from any previously observed photoelectric phenomenon. In normal photoconductivity, the recombination of electron-hole pairs occurs at the end of their lifetime; in contrast, infinite-lifetime photocarriers can be generated and stored in CPC devices without recombination. The photoelectric conversion and storage are completely self-excited during the charging process. The ratio between currents in full- and empty-photocarrier states below the critical temperature reaches as high as 10⁹, with an external quantum efficiency of 93.8% during optical charging. A theoretical model developed to explain the mechanism of this effect is in good agreement with the experimental data. This work paves a path toward the high-efficiency devices for photoelectric conversion and storage.

(doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.217401)

姜昱丞，副教授，2010年本科毕业于南京大学物理系，2015年香港大学博士毕业，2016年入职苏州科技大学。其研究方向是二维异质结体系的光、电、磁学特性研究。

我们有幸采访到了本文通讯作者姜昱丞副教授，以了解他的研究思路和研究心得。

姜昱丞：目前人们已知的二维体系只有两种：二维材料和二维电子气。我在很早的时候就在思考一个问题：是否存在一种方法可以将这两种二维体系结合构建成PN结。直到2018年，我发展出一种简单、普适的工艺，首次构建了基于二维材料和二维电子气的PN异质结。通过对其物理特性进行研究，发现这种新型的异质结可以表现出许多普通异质结所不具备的特殊性质，其中之一就是我们最近发表的这个全新的物理效应：可充电式的光电导效应（chargeable photoconductivity，CPC）。

姜昱丞：在普通PN异质结的构造中，直接将P型和N型材料堆叠生长即可。但这种方法对基于二维电子气的异质结却难以实现，因为传统的二维电子气一般存在于两种绝缘材料的界面处，无法直接与其它材料接触形成异质结。针对这一问题，我们采用了氩离子束辅助轰击的方法，将二维电子气暴露出来，并开发出先堆叠后制结的工艺，成功实现了二维材料和二维电子气的PN异质结制备。

姜昱丞：最大的困难来自于对新现象的理解和理论模型构建。在研究的初期，我们会惯性的将所观察到的现象归类为已知的传统光电现象。而随着实验探索的深入，新的物理特性被逐渐揭示，普通的光电理论模型不足以解释现有的现象。我们基于此实验结果和理论分析，提出两点假设，即光生载流子的无限寿命和空间电荷区对光生载流子的容纳特性。结合PN结光电的基本理论，最后完满的解决了CPC效应的理论问题。

姜昱丞：我最重要的合作者、新加坡国立大学的仇成伟教授认为我们的这项工作有趣、深刻，对相关光电领域的研究极具启发性。此外，领域内同行对我们的工作也给出了高度的评价。北京航空航天大学孙志梅教授评价该工作：“ The observed effect could prove important, but he would need to see more data to be convinced that the researchers fully understand the mechanism.” 美国Northwestern University大学的Mark Hersam教授评价该工作:“The paper suggests a novel device structure for photoelectric conversion and storage. This type of work is likely to be elaborated further in the future as the field of van der Waals materials increasingly takes advantage of opportunities to form heterostructures”。

姜昱丞：是的，我们还会继续相关的研究。我们以后的研究主要专注于以下两个方向：1.寻找新的材料和异质结构，提升CPC效应的转变温度；2.对CPC效应进行进一步的多场调控，探索其更深层次的物理效应。以上的研究已经获得了一定的进展，将在我们后续的工作中报道。

姜昱丞：我的博士导师高炬教授，既为良师又是益友，对我的科研生涯影响深远，感谢他对我的鼓励和支持。我的合作者仇成伟教授，从他的身上我看到了一个勤奋的、纯粹的科学家的风骨，见贤思齐，令我受益匪浅。

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