論文題目：Strong bulk photovoltaic effect in engineered edge-embedded van der Waals structures

發表期刊：Nature communications. IF:17.69

DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-023-39995-0

研究背景

      光能到電能的有效轉換是綠色能源領域的核心問題。基于p-n結的內建電場或光-熱電效應的非本征光伏效應已經被學界廣泛地研究了幾十年，相應器件的光電轉換率已達到理論極限。體致發光效應（本征光電效應）不依賴于外在電場和熱場梯度，理論上其能量轉換效率可以超過PN結的Shockley-Quiesser極限。

成果介紹

      近日，南方科技大學與南京工業大學強強聯合，通過構建具有低對稱度的范德華包覆式納米邊緣結構，觀察到了強體致發光效應。該工作與以往的相關工作相比有兩個明顯的特點。第一，其提出的包覆式納米邊緣結構，可以使用不同的范德華材料進行搭建。第二，通過對稱分析發現，通過包覆式納米邊緣結構所獲得的光致電流，在樣品的左邊和右邊有不同極性。這一點與非本征光伏效應所產生的電流有顯著的不同。該工作以Strong bulk photovoltaic effect in engineered edge-embedded van der Waals structures為題，于2023年7月在SCI期刊Nature communication上發表。

      值得注意的是，本文中ReS₂/ReS₂、MoS₂/MoS₂及WS₂/ReS₂等全部器件均使用小型臺式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3制備。該設備全自動控制、結構小巧緊湊(70cm x 70cm x 70cm)、無需掩膜版、高直寫速度及高分辨率等特點，為本實驗提供了方便高效的器件加工方案。

小型臺式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3

圖文導讀

圖1. 包覆式納米邊緣結構示意圖。（a）ReS₂的STEM表征結果和晶格示意圖（b）在基底上無包覆結構。（c）形成包覆納米邊緣結構。（d）包覆式納米邊緣結構左右兩側示意圖。

圖2. （a）由ReS₂/ReS₂所構成器件的光學照片。（b）器件結構示意圖。（c）-（f）包覆式納米邊緣結構的STEM表征結果。

圖3. 線性偏振相關光電流測量。（a）通過MicroWirter ML3所制備的ReS₂/ReS₂器件的光學照片。（b）-（d）在（a）圖中不同點的測量的偏振相關光電流結果。

圖4. 范德華異質和同質結構器件的表征結果。（a）利用MicroWirter ML3所制備的由MoS₂/MoS₂所組成器件的光學照片，（b）相對應的在包覆式納米邊緣左右兩邊所測量的光電流大小，（c）歸一化的體致光伏電流強度，和（d）邊緣部分和非邊緣部分不同方向上的光電流大小的變化。（e）WS₂/ReS₂異質結構光學器件的光學照片和（f）相對應的在包覆式納米邊緣左右兩邊所測量的光電流大小。

圖5. 通過MicroWirter ML3所制備的hBN/ReS₂和ReS₂/hBN異質結構器件。（a）ReS₂/hBN結構器件的光學照片和（b）相對應的光電流大小。（c）hBN/ReS₂器件的光學照片和（e）相對應的光電流大小測量結果。

結論

      本文設計了一種包覆式納米邊緣結構，該結構具有低幾何對稱性和明顯的局部特性。一方面，該結構可沿y方向觀察到可檢測的體致光伏效應光電流；另一方面，其滿足觀測強體致光伏效應的所有優點，包括半導體性質、低維度和強對稱性破缺。這些觀察結果在不同的同質和異質結中都是可重復的。在本研究中，為了測量體致光伏特性，在整個器件制備過程中，小型臺式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3的精準套刻功能和虛擬掩膜系統，為論文中器件的制備起到了保駕護航的作用。

精準套刻功能：

      MicroWriter ML3具有標記物自動識別功能，通過點擊“Bulls-Eye"按鈕，系統自動在顯微鏡圖像中識別光刻標記。標記物被識別后，將自動將其移動到顯微鏡中心位置，方便套刻的實現。MicroWriter ML3的套刻精度可達0.5 μm。

虛擬掩膜功能：

      MicroWriter ML3配有虛擬掩膜軟件，可以實時顯微觀測基體表面，并顯示預直寫圖形位置。通過調整位置、角度，直到設計圖形按要求與已有結構重合，保證直寫準確度。

相關產品：

1、小型臺式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3