如同搭积木一样按照人们的意愿，将不同的材料组合在一起实现新的功能，是一种美好的愿景。由不同材料按顺序依次堆叠而形成的二维材料异质结构就是按照这一思路设计和制备的新材料。二维异质结构的制备，不仅极大丰富了二维材料的结构组成，而且为材料性质的人工调控提供了新的手段。除了堆叠顺序外，二维晶体层与层之间的相对角度对于异质结构的性质也有非常重要的影响，为二维材料结构和性质的调控提供了新的“自由度”，为二维材料异质结构的发展注入了新的活力。南开大学的刘智波教授和田建国教授课题组近年来一直致力于转角可控二维材料的制备、光电性能及其应用的研究，相继在Advanced Materials和Advanced Optical Materials等该领域重要期刊上发表多篇研究论文。最近，基于黑磷平面内各向异性的光学和电学性质，该课题组与周向峰课题组合作设计出了一种不同于传统PN结和肖特基结的新型取向二极管，为二维材料光电子器件和柔性电子设备的发展提供了新的思路。
黑磷由于其独特的正交晶体结构，具有可调的直接带隙、高的载流子迁移率、以及强的平面内各向异性光电子性质。该团队基于黑磷各向异性的能带结构，利用载流子输运过程中在不同晶向之间的转变设计了新型的取向二极管。观察到了类似于传统半导体pn结的电学整流现象以及反常的门控区域性光电增强现象。结合第一性原理以及传统半导体异质结的光电理论，提出了“晶向导向”的能带理论。这类基于二维材料各向异性所实现的新型取向二极管，对二维材料的基本物理性质研究和新型光电器件的设计都提供了新的思路。该成果最近发表在国际知名期刊Advanced Materials上[1]。
图1 黑磷取向二极管及其光电响应
刘智波教授和田建国教授课题组近年来一直致力于二维材料层间转角的控制和相应结构的光电性质的探索和研究。发展了一种对机械剥离石墨烯进行选择性转移和定点转移的新技术，该技术能够将图形化加工的目标石墨烯单独转移到任意位置，而将目标石墨烯周围杂乱无章的石墨碎片留在原基底[2]。在此技术基础上，进一步发展了一种能够对旋转角度进行精确控制的转角多层石墨烯制备技术，这是第一种具有角度控制能力的制备方法，研究了转角双层石墨烯的光电响应增强。在实验上第一次制备出了具有特定旋转角度的双转角三层石墨烯，第一次在实验上研究了双转角三层石墨烯的拉曼光谱，证明了双转角三层石墨烯可以视为两个具有相应旋转角度的转角双层石墨烯的叠加。该成果同样发表在Advanced Materials上[3]。利用表面等离子共振原理、范霍夫光吸收增强效应以及全反射效应等，研究了转角堆叠石墨烯的光学吸收增强和光电响应增强，其成果发表在国际知名期刊Advanced Optical Materials上[4]。
该研究工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、天津市自然科学基金、南开大学百名青年学科带头人培养计划等项目的资助。
1．Wei Xin, Xiao-Kuan Li, Xin-Ling He, Bao-Wang Su, Xiao-Qiang Jiang, Kai-Xuan Huang, Xiang-Feng Zhou, Zhi-Bo Liu, and Jian-Guo Tian, Black-Phosphorus-Based Orientation-Induced Diodes.Advanced Materials, adma.201704653 (2017).
2．Xu-Dong Chen, Zhi-Bo Liu, Wen-Shuai Jiang, Xiao-Qing Yan, Fei Xing, Peng Wang, Yongsheng Chen, and Jian-Guo Tian, The selective transfer of patterned graphene.Scientific Reports, 3, 3216 (2013).
3．Xu-Dong Chen, Wei Xin, Wen-Shuai Jiang, Zhi-Bo Liu, Yongsheng Chen, and Jian-Guo Tian, High-Precision Twist-Controlled Bilayer and Trilayer Graphene.Advanced Materials, 28(13), 2563 (2016).
4．Wei Xin, Xu-Dong Chen, Zhi-Bo Liu, Wen-Shuai Jiang, Xiao-Guang Gao, Xiao-Qiang Jiang, Yongsheng Chen, and Jian-Guo Tian, Photovoltage Enhancement in Twisted-Bilayer Graphene Using Surface Plasmon Resonance.Advanced Optical Materials, 4(11), 1703-1710 (2016).