利用非对称h-BN隧穿势垒实现全二维超薄垂直异质结构中的光电流方向控制与光伏效应增强

摘要： 二维（2D）材料具有原子级厚度且不存在面外悬键，因此能突破晶格匹配的限制，实现自由组合构建垂直范德华异质结构。本研究采用全化学气相沉积法制备的二维材料，构建了非对称垂直结构的石墨烯/六方氮化硼（h-BN）/二硫化钨（WS2）/石墨烯器件。该结构包含三个功能单元：通过费米能级调控和超薄特性可作为金属电极替代品的导电石墨烯；作为超薄光敏材料的半导体过渡金属硫化物（TMDs）；以及作为隧穿势垒的绝缘h-BN。相比不含h-BN的对称垂直结构，这种非对称垂直结构展现出更强的光伏效应。通过改变h-BN在垂直堆叠中的排列顺序，我们甚至能控制电子流动方向。增加h-BN厚度还可进一步提升性能。该光伏效应源于绝缘h-BN层引入的电势差导致TMDs中激发电子向顶部和底部石墨烯电极迁移概率的差异。研究表明，h-BN能有效作为非对称垂直异质结构中的隧穿势垒来增强光伏效应并控制电子流向，这对设计满足电子/光电器件多样化需求的二维垂直异质结构具有重要价值。