二维过渡金属硫属化合物（TMDs）由于其优异的电学和光学性质在纳米电子和光电子器件领域受到了学者们的广泛的关注。不同于具有高对称2H结构的VI族TMDs材料（如MoS₂和WSe₂），VII族TMDs（如ReS₂和ReSe₂）材料具有低对称的1T'结构。这种晶格结构对称性的降低赋予了这类材料独特的二维面内各向异性光学和电学性质，使其在场效应晶体管、光电探测器和新概念器件等方面具有很大的应用潜力。然而，因VII族TMDs材料的结构更加复杂，其制备和性质研究一直是二维原子晶体材料研究领域的难点。

近年来，陕西师范大学材料科学与工程学院徐华副教授课题组一直致力于低晶格对称二维原子晶体材料的可控合成和光电性质研究。课题组先后发展了“低共熔体辅助外延生长”和“空间限域生长”等方法，实现了这类材料从单体到合金的大面积可控制备。深入探究了这类各向异性二维材料独特的各向异性生长机制和调控方法，通过构筑这类材料的晶体管器件揭示了其众多优异的电学和光电性质。期间，课题组开创了角分辨偏振拉曼光谱（ARPRS）鉴定各向异性二维材料晶格取向的新技术。围绕该课题方向的相关成果已在Adv Mater., 2017, 29, 1705015；Adv Mater., 2016, 28, 5019-5024；Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 2366-2369；Nanoscale, 2016, 8, 18956-18962；Nano Research, 2017, 10, 2732-2742等期刊发表。

近期，徐华副教授课题组在以上研究的基础上，采用两步外延生长方法首次制备出了具有多样界面结构和线性二色性的1T' ReS₂-ReSe₂异质结材料，并深入探究了这种1T异质结材料的结构特征和性质。相较于传统的高对称2H结构的VI族TMDs材料，VII族TMDs材料因其结构低的对称性而有两个不同的边缘，所形成的1T'异质结与2H异质结相比更加复杂多变，因此1T' ReSe2-ReS2异质结的可控合成面临着极大的挑战。为了克服制备1T' ReS2-ReSe2异质结存在的易碎裂、合金化和枝状生长等问题，作者采用两步CVD生长法对ReS₂和ReSe₂的生长顺序和温度、Re前驱体的挥发速率以及H₂的量等生长参数进行了精确的调控，最终实现了高质量1T' ReSe2-ReS2异质结的可控制备。如图1所示，光学、扫描电镜以及原子力显微镜表征结果显示所合成的异质结为单层，中心区域为ReS₂，边缘为ReSe₂，单个晶畴尺寸范围可达50-100 µm。

图1. 化学气相沉积生长单层1T' ReSe₂-ReS₂横向异质结材料。图片来源：Adv. Funct. Mater

作者采用拉曼光谱和荧光光谱及拉曼成像技术研究了单层ReSe₂/ReS₂横向异质结内部（ReS₂）、边缘（ReSe₂）以及界面处的结构特征和光学性质（图2）。从拉曼光谱和荧光光谱可以看出，异质结界面区ReS₂和ReSe₂的拉曼特征峰以及荧光发射峰同时现出，表明界面处两种不同材料是共存的。拉曼成像结果表明ReS₂和ReSe₂界面处没有重叠或间隙，即内部的ReS₂和外围的ReSe₂是无缝连接的，且没有合金化。

 图2. 单层1T' ReSe₂-ReS₂横向异质结光谱性能研究。图片来源：Adv. Funct. Mater

作者利用高分辨透射电镜深入研究了这类低晶格对称二维异质结材料的结构特征。EDX扫描分析显示Re元素在整个区域内均匀分布，S和Se元素分别均匀分布于异质结界面的两侧。高分辨STEM结果显示所得ReS₂-ReSe₂异质结具有高的晶格质量和原子级尖锐的界面，这对于异质结光电器件的载流子有效分离至关重要。

图3. 单层1T' ReSe₂-ReS₂横向异质结结构以及化学组分分析。图片来源：Adv. Funct. Mater

作者通过深入研究所得1T' ReS₂-ReSe₂异质结界面处的原子结构信息，首次发现1T'异质结具有三种不同的生长模式，并伴随产生三种不同的界面结构。如图4所示，当ReSe₂沿ReS₂的边缘进行外延生长时，二者之间b轴方向可呈0°、120°和180°的夹角，DFT理论计算得出，当二者之间的b轴方向呈0°夹角时的异质结形成能最小，也最易于形成。不同于只能形成一种界面结构的2H TMD异质结，这种多样界面结构的1T'异质结在开拓二维异质接性质和应用方面具有更大的空间。

图4. 单层1T' ReSe₂-ReS₂横向异质结的生长模式以及形成能。图片来源：Adv. Funct. Mater

最后，作者通过构筑基于1T' ReS₂-ReSe₂异质结的电学器件研究了该异质结的电学和偏振光电特性。如图5所示，单个ReS₂和ReSe₂晶畤的转移曲线呈现出典型的n型和p型导电特征，在p-n结处的输出曲线显示出典型的整流特性。特别是，通过调控入射光偏振方向与材料晶格方向的夹角，首次在二维面内异质结中获得了偏振依赖的光二极管性质。

图5. 单层1T' ReSe₂-ReS₂横向异质结的光电性质。图片来源：Adv. Funct. Mater

本文中作者所合成的1T' ReSe₂-ReS₂异质结为具有本征整流特性的横向p-n结，同时在二维层状半导体中可作为偏振响应的光电二极管，这种具有线性二色性和多样的界面结构的二维异质结为开发多功能光电子器件开辟了新的机遇。这一成果发表在近期的Advanced Functional Materials上，文章第一作（共同）是陕西师范大学2016级硕士研究生刘东艳、日本精细陶瓷研究所洪金华博士和韩国蔚山大学王晓博士，陕西师范大学徐华副教授为该工作的通讯作者。此外，该工作得到了西北工业大学冯晴亮副教授、韩国蔚山大学丁峰教授、华中科技大学翟天佑教授、北京大学彭海琳教授、美国耶鲁大学周瑜博士，陕西省能源新材料与器件重点实验室，以及国家自然科学基金，陕西师范大学中央高校基础研究基金和西北工业大学中央高校基础研究基金等项目的支持。

该论文作者为：Dongyan Liu, Jinhua Hong, Xiao Wang, Xiaobo Li, Qingliang Feng, Congwei Tan, TianyouZhai, Feng Ding, HailinPeng, and Hua Xu*

Diverse Atomically-sharp Interfaces and Linear Dichroism of 1T' ReSe₂-ReS₂ Lateral p-n Heterojunctions

Adv Functional Mater., 2018, DOI: 10.1002/adfm.201804696