二维层状半导体材料中应变增强体光伏效应

• 阅读： 2022/12/13 16:42:38

  因与材料能带结构拓朴特性的相关性以及独特的光生载流子分离机制，体光伏效应（Bulk photovoltaic effect）在近十年得到了广泛的关注。近年来，体光伏效应的研究范围从最初的氧化物铁电材料拓展到外尔半金属、范德瓦尔斯材料、氧化物超晶格、钙钛矿卤化物以及有机物等多种新型材料体系。在太阳能电池、光电传感器以及拓扑材料表征等领域具有潜在应用前景。目前，体光伏效应的转换效率仍然较低，影响体光伏性能的物性参数和物理机制仍不明确。因此，开发有效增强体光伏系数的调控手段成为该领域一个棘手问题。

  近日，日本东京大学以及理化学研究所（RIKEN）的岩佐義宏（Iwasa Yoshihiro）课题组研究发现面内应变能极大的增强菱方型二硫化钼（3R-MoS2）的体光伏效应，该现象称为压电光伏效应（Piezophotovoltaic Effect）。由于其A-B-C型的层间堆叠方式，3R-MoS2具有不依赖层数的非中心对称性，展现出高效的非线性光学响应以及Valley电子学特征；此外，3R-MoS2具有较低的禁带宽度（~1.3 eV）以及高延展性（~10%）。这些特征使其成为研究体光伏效应以及应变调控的合适材料体系。该课题组通过将机械剥离的3R-MoS2薄片干法转移至预制的台阶式衬底上，诱导出面内应变（~0.2%）并引发面内旋转对称性破缺，诱导出沿着armchair晶体方向的面内极化。研究发现该应变调控作用能极大地增强3R-MoS2 armchair方向上的体光伏效应。其体光伏系数随着面内应变非线性增大，增强幅度达到两个数量级以上，而且在整个太阳光谱中都显示出高效响应。该工作也预示了应变调控以及与之相关的对称性调控可有效改变二维材料的物理属性，以实现有趣的物理效应和功能。

  该成果近日以“Giant Bulk Piezophotovoltaic Effect in 3R-MoS2“为题发表在Nature Nanotechnology上，在同期的News&Views上以“Stress testing the bulk photovoltaic effect”为题予以专门报道。（https://doi.org/10.1038/s41565-022-01271-5）

  第一作者为董禹（东京大学博士生）和杨明敏博士（曾任日本理化学研究所SPDR研究员和英国华威大学物理学院助理教授，现任合肥国家实验室研究员），通讯作者为岩佐義宏教授。该工作得到了东京大学Toshiya Ideue （井手上敏也），Takahiro Morimoto（森本高裕）以及理化学研究所Naoki Ogawa（小川直毅）等学者的大力支持。

  论文链接：

  https://www.nature.com/articles/s41565-022-01252-8

  转自：“知社学术圈”微信公众号

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