能带排列可调二维过渡金属硫化物异质结的可控构筑

In recent years, two-dimensional atomic crystal materials represented by transition-metal dichalcogenide, are promising materials for realizing next generation electronic and photonic devices, due to their unique electronic and optical properties. Based on the current research status and strategic demands of two-dimensional atomic crystal nanostructures, and in view of the current challenge in the controllable growth of two-dimensional transition-metal dichalcogenide heterostructures, this proposal starts from the band gap engineering of single two-dimensional transition-metal dichalcogenide heterostructures, and designs a new vapor growth strategy to achieve series of new two-dimensional semiconductor heterostructures (In-plane epitaxial heterostructures and vertically stacked heterostructures) with tunable band alignment. We propose to clarify the growth mechanism of two-dimensional atomic crystal heterostructures, at the same time, investigate the spatial and composition dependent structural characterization of these new band gap engineered heterostructures, and study the influence of band gap engineering and interface on the optical properties of two-dimensional transition-metal dichalcogenides. In one side, this proposal will be one of the most deserve proposals not only in capturing the important scientific problem of two-dimensional semiconductors, but also expanding the application of two-dimensional atomic crystal materials in optoelectronic devices. In other sides, this proposal will help to increase the international influence power and original ability of China in the new semiconductor material research areas.

近年来，以过渡金属硫化物为代表的二维原子晶体材料，由于其独特的光电特性，对实现下一代高性能电子和光子器件展现出了巨大的应用前景。基于过渡金属硫化物的研究现状和战略需求，针对当前二维过渡金属硫化物异质结可控构筑的难题，本项目精心设计和改进传统化学气相沉积纳米材料生长技术，以二维异质结能带调控为出发点，可控地构筑系列新型的界面能带排列可调的过渡金属硫化物异质结，包括二维平面外延异质结和二维垂直堆垛异质结。同时，明晰二维过渡金属硫化物异质结的生长机理，以这些新型异质结构为材料平台，对构筑的能带排列可调二维异质结进行空间和组分依赖的结构表征，并研究能带工程、界面等对二维过渡金属硫化物光学性能的影响。借此项目的顺利开展，攻克当前二维半导体材料领域的重要科学难题，拓展二维原子晶体材料在光电器件中的应用，为提高我国在新型半导体材料研究领域的国际影响力和原创能力做出重要贡献。

纳米材料对未来社会和经济发展有着非常重要的影响，基于半导体纳米结构的纳米光子学研究已经成为纳米研究的热点。纳米材料的应用将对如何调整国民经济支柱产业的布局、设计新产品、形成新的产业及改造传统产业注入高科技含量提供新的机遇。加快纳米功能材料和器件的发展将为推动我国在半导体核心技术领域的原创性创造更为有利的条件。我们通过成功实现多种二维过渡金属硫化物的可控构筑，发展了一套成熟简易的二维半导体异质结纳米材料的可控生长技术。为异质结构的应用提供了多种选择，在二维层状纳米材料的功能型光电器件应用当中具有重要意义。.利用横向外延生长和范德华外延生长时所需要的能量的不同，通过控制第二步反应源的加热温度，实现了二维过渡金属硫化物横向外延和范德华外延异质结构的可控合成。通过控制异质结的沉积温度，实现了AA和AB堆垛的可控合成。通过对能带调控的二维过渡金属硫化物异质结的光子学性质的研究，系统研究了二维纵向异质结构与堆垛模式相关的光学特性。实现了二维过渡金属硫化物纵向堆垛异质结从NN结到PN结以及能带结构从Type-I型到Type-II型的连续调控。通过控制硒粉的蒸发温度，可控地实现了三角形/六边形二维过渡金属硫化物WS2/WSe2xS2(1-x)横向异质结构的构筑。研究了二维过渡金属硫化物与二维钙钛矿及准二维碲化锌异质结构的可控构筑及光电特性。.通过本项目的实施，为纳米光电器件的发展提供了丰富的材料资源，加速了二维半导体器件在多样化、多功能、宽谱响应和可调谐光电器件领域的发展，为提高我国在新型半导体材料研究领域的国际影响力和原创能力做出了重要贡献。