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成果 | 刘开辉课题组实现手性及极化可控的二硫化钨条带阵列精准原子制造

日期: 2024-06-11
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北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所刘开辉教授课题组与合作者提出“多重界面耦合原子制造”新策略,首次实现兼具特定手性结构(包括扶手椅型、之字型及其他手性结构)及相干极化方向的二硫化钨(WS2)条带阵列的“全同”控制制造。通过系统研究手性结构与体光伏效应的对应关系,实现1000余根扶手椅型条带阵列的自发光电流集成输出。该研究为一维结构的原子级精准制造提供了定制化方案,有望促进其在新型电学、光电转换器件的阵列化集成芯片加工。2024年6月6日,相关成果以“具有可控手性与相干极性的二硫化钨条带阵列”(WS2 ribbon arrays with defined chirality and coherent polarity)为题,在线发表于《科学》(Science)。

一维材料降低的几何维度为其带来诸多优异物理性质,在新奇物态调控、先进制程集成电路、新一代太阳光伏系统等领域具备广阔应用前景。其中,一维过渡金属硫族化合物因其高可见光吸收率、低结构对称性等特性,被认为是构筑非常规光伏器件的理想材料体系。然而,自发光电流的规模化收集对其一维结构制备要求极其严苛:首先,单个一维结构需具备稳定可观的自发光电流生成;其次,不同一维结构间的手性结构及极化方向需保持严格一致,从而保证集成器件的整体光电流相干增强;同时,高密度排布的平行一维阵列是高效能量收集及转化的集成芯片制造前提。经过近30余年发展,一维碳结构(例如碳纳米管、石墨烯纳米带)在阵列可控制备方向取得重要进展。然而,过渡金属硫族化合物的非中心对称结构使其一维结构手性及极性控制极为复杂。迄今为止,原子级精准的一维结构制造(包含手性结构、极化方向等)尚无法实现。


针对上述问题,刘开辉课题组与合作者提出一种“多重界面耦合原子制造”新策略,实现了具有可控手性与相干极性的WS2条带阵列的“全同”控制制造:(1)WS2-蓝宝石外延界面耦合决定WS2晶格排布方式;(2)Na2MoO4前驱体-蓝宝石原子级台阶耦合作用限制条带轴向方向;(3)WS2-Na2MoO4前驱体耦合作用锁定条带的单一极化排布方向。通过精准设计特定晶面蓝宝石衬底,调控表面原子级台阶与晶格排布的相对关系,成功实现了扶手椅型、之字型、手性结构(含左手手性、右手手性)的WS2条带的精准原子制造。其中,扶手椅型条带阵列具有沿轴方向的相干极性,表现出增强的体光伏效应,短路电流密度达到0.37 A/cm2,且可基于1000余组WS2条带阵列器件集成实现光电流的集体放大输出。该工作为复杂结构一维材料体系提供了原子水平精准结构定制策略,有望推动自驱动光电探测及新机理太阳光伏等领域的技术发展。

成果 | 刘开辉课题组实现手性及极化可控的二硫化钨条带阵列精准原子制造

图1:具有可控手性与相干极性WS2条带阵列制造及自发光电流集成输出


北京大学博士生薛国栋、郭泉林,北京大学“博雅”博士后周子琦,昆明理工大学副教授左勇刚为论文共同第一作者;刘开辉、中国人民大学刘灿副教授、中国科学院半导体研究所魏钟鸣研究员和中国科学院深圳先进技术研究院丁峰研究员为论文共同通讯作者。其他主要合作者还包括深圳国际量子研究院俞大鹏院士,北京大学高鹏教授,清华大学李群仰教授,昆明理工大学张利波教授,上海科技大学王竹君教授等。


研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究重大项目、新基石科学基金会科学探索奖等相关项目及北京大学纳光电子前沿科学中心、北京大学电子显微镜实验室、量子物质科学协同创新中心、轻元素先进材料研究中心、松山湖材料实验室等的大力支持。



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