石墨烯氮化硼异质结是什么概念

碳原子外层有四个电子，但石墨烯六角蜂窝状结构每个碳原子近邻的只有三个原子，剩下一个价电子不能成键，没被束缚住，因此就可以很容易地在整个石墨烯中运动，所以石墨烯导电。

而氮化硼呢，硼外层有三个价电子，氮有五个，这样，生成氮化硼以后，不管是氮还是硼，其最外层电子都通过生成共价键固定住了，因此就不能在整个固体中自由移动，所以导电性差。

导读：本文总结了二维材料/宽禁带材料异质结构的制备方法和能带对齐理论；介绍了铁电极化场和压电应力效应在二维/铁电异质结构中的应用；列举了二维/宽禁带半导体异质结构在探测器、场效应晶体管、光催化和气体传感器领域的研究进展；最后，总结了二维/宽禁带材料异质结构目前存在的问题，并展望了其未来发展方向。

综述背景

综述简介

北京邮电大学吴真平副教授，香港理工大学郝建华教授等以“Hybrid heterostructures and devices based on two-dimensional layers and wide bandgap materials”为题在《Materials Today Nano》发表了邀请综述文章。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2588842020300213

该综述首先介绍了2D/WBG材料异质结构的制备方法，并详细探讨了2D/WBG异质结构的能带对齐理论。接下来，文章系统回顾了铁电极化场和压电应力效应在2D/铁电异质结构中的应用，并列举了2D/宽禁带半导体异质结构在探测器、场效应晶体管、光催化和气体传感器领域的研究进展，最后探讨了目前该领域的研究进展和存在研究难点，并对未来的研究方向提出了见解。

图1、常见二维材料、宽禁带半导体和铁电体的能带示意图。

图2、（a）BP-ZnO异质结示意图。（b）化学气相沉积法制备MoSe2工艺示意图。（c）GaN衬底和第3相MoSe2薄膜的照片。（d）单层MoS2/单层WSe2/GaN（上）和少层MoS2/GaN（下）的AFM图像。（e）蓝宝石衬底上生长的晶圆级MoS2薄膜的光学图像和横截面TEM图像。（f）MoS2/GaN（0001）的横截面TEM图像。

图3、（a）2D/WBG-vdW异质结构的原子结构和各种能带排列示意图：（b）欧姆接触，（c）肖特基接触，（d）I型跨骑，（e）II型交错，（f）III型错层。

图4、用PBE（左下区域）和HSE06（右上区域）计算的vdW异质结构能带排列表。绿色、红色和蓝色分别表示I型、II型和III型异质结构类型。两个彩色方框表示两种不同类型的机会相等。

图5、基于二维材料和铁电材料的异质结构。（a）石墨烯的输运性质。插图显示了石墨烯/PZT异质结构的示意图。（b）石墨烯在空气和真空中的输运特性。（c）基于MoS2和BTO的FTJ的I-V特性。（d）随电压变化的电阻开/关比。

图6、基于二维材料和压电PMN-PT的异质结构。（a）石墨烯/MoS2/PMN-PT异质结构示意图。（b）压电双轴应变在0 0.2%范围内调谐的MoS2的PL谱。（c）WSe2/PMN-PT异质结构示意图。（d）在PMN-PT上施加电场从 20-20kv/cm调谐的SPE的微PL谱。（e）PMN-PT上 20和20kv/cm电场调谐的SPE的微PL光谱。

图7、光电探测器。石墨烯/Ga2O3肖特基结光电探测器的结构图（a），在不同光强下的光响应（b）和光谱选择特性（c）。自组装石墨烯/GaN异质结探测器示意图（d），在360 nm光照条件下测量的I-V曲线（e）和光谱选择特性（f）。WS2/GaN光电探测器示意图（g）,器件的响应度和比探测率与光强度的函数关系（h）和紫外成像结果（i）。

图8、场效应晶体管。Ga2O3/WSe2结场效应晶体管示意图（a），器件的传输和跨导特性（b），器件的击穿电压可达144 V（c）。垂直Ga2O3/石墨烯势垒晶体管开关器件示意图（d），器件的关态击穿电压（e），器件击穿电场与其他报道的功率器件的比较（f）。E/D双型石墨烯/Ga2O3 MESFET示意图（g），直接耦合场效应晶体管逻辑逆变器（h），逻辑逆变器的电压传输特性（i）。

图9、气体传感器。MoS2/GaN气体传感器示意图（a）,反向偏压下氢气氛围下器件的能带图变化（b），不同温度下器件对氢气浓度测试的灵敏度（c）。rGO/AlGaN/GaN气体传感器原理图（d），在正偏压条件下，器件在NO2、NH3和SO2气氛中的能带图变化示意图（e），传感器气体浓度依赖响应曲线（f）。

图10、杂化异质结构中二维材料的形态。（a）GaN上MoSe2层的SEM图像。（b）GaN外延晶体上MoS2单层三角形的扫描电镜。GaN/AlGaN/GaN上生长的MoS2的TEM图像亮场（c），暗场（d），和选区电子衍射（SAED）图（e）。

结论与展望

综上，本综述系统讨论了2D/WBG异质结构的制备、能带结构设计和相关应用。虽然2D/WBG混合vdW异质结构在电子、光电子器件领域已经展现出优异的性能，但仍存在许多挑战和机遇。

1、目前研究的2D材料和WBG材料种类仍很少，以石墨烯为主，仍需要 探索 其他2D材料在本领域的应用。

2、铁电、压电材料目前仍只用于提供极化和应力来调控2D材料的物理特性，其耦合效应尚未完全理解。

3、制备获得高质量晶圆尺寸的2D/WBG混合异质结构是实现器件产业化的最大技术瓶颈。

异质结是半导体领域的重要概念，在半导体器件、光电催化、电池材料经常会碰到复合材料 —— 异质结，由两种不同的半导体单晶材料组成，具有一系列不同单一半导体的特性，例如： 整流性、光伏性、光波导效应。 异质结催化材料与传统单相催化材料固有的能带结构相比，构建异质结不仅能调控材料的光照吸收阈值，还可以通过调控能带结构实现光生载流子的快速分离，降低电子空穴的复合程度等优点。 主要介绍在 Materials Studio 中构建异质结。

构建异质结首先要看晶格参数的匹配程度, 晶格参数失配率理论上要小于 6 %，否则异质结有可能变形和垮掉。

我们在 Materials Studio 中构建两种材料晶格失配率较小的 ZnSe/Ge 异质结，如图1，两者的晶格矢量方向一致，两者的晶胞参数的失配率为 1.5 %，满足要求，不用扩胞或者旋转，

▲图1 异质结中两种材料的晶胞参数

直接进行异质结的构建。如图2 ，构建为surface，对于新的晶格参数使用两者晶胞参数的

▲图2 构建 ZnSe/Ge 异质结的过程

平均值，构建完成后将体系加真空层（≥15Å），之后对两种材料间的距离以及相对位置进行调节，距离一般根据实验值或者文献进行调节，此处小编将 Zn-Se 键长调节为 2.487Å，如图3 所示，同时可以通过平移和旋转得到高对称初始结构构型（top、hollow、bridge）。

▲图3 异质结 ZnSe/Ge 模型构建过程

上例是在晶格匹配度较高的情况下直接构建异质结，在晶格匹配度较低的情况下，首先考虑寻找晶格参数相对的最小公倍数（a，b，一般不需要考虑c），分别对两者的 a，b 方向进行扩胞，以下小编将对这种情况进行具体 *** 作，使用异质结BN(111)/graphite 作为例子。

图4 为两种材料的具体晶格参数，两者的匹配度较低，未进行扩胞之前的失配率高达51.8%，因此不能直接构建异质结。将石墨烯的单胞扩大到两倍之后（如图5），两者的失配率为 3.76 %，可以选择构建异质结。构建的具体过程如图5，使用MS构建

▲图4 异质结中两种材料的晶胞参数

▲图5 石墨烯的扩胞之后的参数

的过程与上个体系相同，唯一的差别在于生成的晶格矢量匹配到BN的晶格矢量，如图6，一般对于表面负载石墨烯的体系来说，表面单层的石墨烯不会影响体相的晶格

▲图6 构建 BN(111)/graphite 异质结的过程

参数，所以小编在此选择匹配到BN的晶格参数。根据文献或者实验调节两种材料之间的距离，之后在给异质结加上真空层（如图7）。

▲图7 异质结模型 BN(111)/graphite 构建过程

如果对于形成异质结的两种材料的单胞矢量方向不一致，在建模过程中就需要改变晶格矢量，我们根据文献构建 g-C3N4/TiO2 异质结（phys.chem.chem. phys.,2016,18,31175），两者的晶胞参数如下，两种材料的单胞矢量方向不同，我们需要改变晶胞的形状和方向，以此来达到两者晶格矢量的匹配度。根据文献，切TiO2 的（100）面，并且周期显示为

▲图8 异质结中两种材料的晶胞参数

4×1，接着根据文献调节晶格矢量, 如图9；同样根据文献改变 g-C3N4 的晶格矢量，如图

▲图9 改变 TiO2 晶格矢量的过程

▲图10 改变 g-C3N4 晶格矢量过程

10。接着构建 g-C3N4/TiO2 的异质结，在 build-build layers-Matching 中查看匹配程度。从图11 中可以得到每个矢的量失配率，a 矢量是 8.88 %，b 矢量是4.21 %，角度是 4.21 %。对于二维单层材料的可塑性很好，所以总体的晶格矢量选择匹配 TiO2（100）晶面的

▲图11 g-C3N4/TiO2 异质结参数及结构

晶格矢量。之后需要在c 方向上加上 15Å 的真空层，这样就得到了我们需要进行计算的异质结模型。

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