由法国国家科学研究院 (INRS) 教授 My Ali El Khakani 领导的国际研究团队对二硫化钼(也称为 MoS 2)的特性有了惊人的发现。这种材料在光电子领域备受追捧。

新合成方法增强MoS₂光电性能

这项研究由法国皮卡第大学、儒勒凡尔纳大学(UPJV)的 Mustapha Jouiad 教授团队合作完成，研究成果刚刚发表在《先进光学材料》杂志上，并刊登在 5 月刊的封面上。

这项工作是在 Driss Mouloua 的论文研究框架内完成的，该研究由法国国家科学研究院能源材料电信研究中心和 UPJV 的 El Khakani 教授和 Jouiad 教授共同指导。Mouloua 博士目前是法国原子能委员会的博士后研究员。

“通过提出一种生长具有垂直分层结构的 MoS 2薄膜的新方法，我们为合成被称为‘3D’但具有特殊‘2D’行为的 MoS 2铺平了道路。这篇论文的成果可能会为光电子和可再生能源领域带来创新发展，”能源与材料科学博士 Mouloua 说道。

具有独特性能的材料

继石墨烯及其应用引起全球关注之后，MoS 2也成为另一种二维 (2D) 材料，但也是半导体材料，由于其出色的性能，引起了科学界的极大兴趣。自 20 世纪 70 年代和 80 年代以来，MoS 2 一直被用作航空航天工业和高性能机械中的固体润滑剂，而现在，MoS 2正作为光电子领域的战略材料卷土重来。

MoS 2是一种能够强烈吸收光并将其转化为具有高电子迁移率的电荷的材料，使其具有快速信号传输的能力。这些独特特性的组合使其特别适合开发光电应用，例如光电探测器、光子开关、下一代太阳能电池和发光二极管(LED)。

然而，所有这些特性都取决于这种二维材料的单层(或原子“单片”)在薄膜中的排列方式，这种材料可以想象成“酥皮”结构。随着时间的推移，科学家们已经开发出制造策略来获得 2 到 5 个水平分层的单层，以利用 MoS 2卓越的光电特性。

新范式

El Khakani 教授的团队在最新研究中改变了这一模式，他们证明了合成由垂直排列的 MoS 2层组成的相对较厚的 MoS 2薄膜(“3D”)是可能的。为了实现这一点，该团队采用了一种基于脉冲激光沉积 (PLD) 技术的创新方法。

通过控制这些薄 PLD-MoS 2薄膜的生长条件并研究其特性，研究人员获得了相对较厚的 MoS 2薄膜(约 100 纳米厚，相当于 ~200 个 MoS 2原子单层)，但它们的光电行为却惊人地类似于超薄 2D MoS 2(仅具有 3-5 个 MoS 2单层)。

“最终，我们得到了一种行为类似于二维材料的‘三维’材料，这非常有趣且吸引人，”El Khakani 教授说。

通过更深入地研究纳米结构特征，利用高分辨率电子透射显微镜，研究人员发现，层越垂直，PLD-MoS 2薄膜的光电检测性能就越好。

这种新颖的纳米结构使垂直 MoS 2单层能够单独与光相互作用，增强其吸收光的能力，并实现产生的光电荷的快速垂直传输(沿 MoS 2层)。

反过来，这又转化为与几层“2D” MoS 2超薄膜相当的光电性能。此外，这些“3D” PLD-MoS 2薄膜可以扩大到晶圆级，同时避免了与仅合成几层水平单层相关的困难。

通过这一成果，El Kakhani 教授团队通过控制组成 MoS 2单层的垂直排列，为更好地控制 MoS 2薄膜的光电特性开辟了一条新途径。

“这不仅是首次利用 PLD 技术实现具有垂直排列层的MoS 2 ，而且更重要的是，我们成功地将单层的垂直排列程度与 MoS 2薄膜的光电检测性能直接关联起来。

研究人员总结道：“这是一项重要的突破，将有助于更好地理解‘3D’-MoS2 中的量子限制现象，并有助于改进基于‘2D’材料(如MoS2或 WS2)的新型光电器件的设计。”