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导读
最近，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（BerkeleyLab）的科研团队准确地测量出二维半导体材料二硫化钼（MoS2）的带隙，同时也揭示出一种强大的调谐机制，以及二维材料电子和光学特性之间的关系。
关键字
二维材料、传感器、半导体
背景
二维材料已成为科学界的一个非常有前景的前沿领域。这种材料非常轻薄，而且具有优异的电气和光学特性。典型的二维材料有石墨烯、氮化硼、过渡族金属化合物（二硫化钼、二硫化钨、二硒化钨）、黑磷等等。各国科学家们都蜂拥至这个新兴领域，想办法发掘出二维材料的卓越特性。
时下，二维材料广泛应用于各个科技领域，例如半导体、柔性电子、可穿戴技术、太阳能、物联网、智能硬件、印刷电子、通信等等，笔者也曾在多篇文章中介绍过。但由于其基本结构本身就非常小，所以很难进行制造和测量，以及和其它材料相匹配。所以，随着二维材料的研发力度不断加大，如何更好地分离、提高和操控它们的最佳特性，科学界仍然还有许多未知的领域，等待进一步的探索。
创新
最近，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（BerkeleyLab）的科研团队（还包括卡夫里能源纳米科学研究所、加州大学伯克利分校、亚利桑那州立大学的研究人员）准确地测量出二维半导体材料二硫化钼（MoS2）先前模糊不清的特性：带隙。同时，团队也揭示出一种强大的调谐机制，及其电子和光学特性之间的关系。
（图片来源：MarilynChung/BerkeleyLab）
为了将这种单层材料更好地集成到电子器件中，工程师们想要搞清楚“带隙”。简单说，带隙是使电子远离与它们耦合的原子所需要的最低能量。然后，电子就可以在材料中自由移动，形成电流流过导线。吸收光线可以为电子提供足够能量，例如，将材料转化为导电状态。
（图片来源：MarilynChung/BerkeleyLab）
8月25日，研究人员在《物理评论快报》期刊上发表了一篇论文，描述了他们测量出单层二硫化钼的带隙，这在理论上非常难以精准预测。他们发现测量值比基于以往实验的期望值要高30%。它们也量化了带隙是如何随着电子密度发生变化的，这种现象也称为“带隙重正化”。
论文的领导作者、加州大学伯克利分校和伯克利实验室的研究生KaiyuanYao称：
“这项工作最关键的意义在于找到了带隙。它为所有的光电器件工程师提供了非常重要的指导。他们想要指导带隙是什么，从而将二维材料与其它材料以及器件中的组件恰当地连接。”
技术
获取直接带隙的测量结果是非常具有挑战性的。因为，二维材料中存在所谓的“激子效应”，这种效应是由于电子与“空穴”之间的强烈配对而产生。这些空穴是在原子周围本来电子所存在的地方留下的空位。该效应的强度可以屏蔽带隙的测量。
伯克利实验室分子铸造厂的项目科学家、研究的参与者NicholasBorys称，这项研究也解决了如何调谐二维材料中光学和电子特性的问题。Borys表示：
“我们的技术真正的强大之处在于分清光学和电子特性之间的差别，这成为了物理学界重要的基石。”
分子铸造厂是一个向科学界开放，且专门进行纳米材料创造和探索的设施。团队使用了分子铸造厂中的几种工具，帮助开展这项研究。
（图片来源：BerkeleyLab）
研究人员研究单层二硫化钼所用到的分子铸造技术，也称为“光致发光激发”（PLE）光谱学。研究人员称，它为我们身边的材料带来了新型应用，例如超灵敏的生物传感器和更小的晶体管，同样也表明在其他二维材料中，可以进行类似的精准定位和操作。
（图片来源：MarilynChung/BerkeleyLab）
研究团队测量了激子和带隙信号，然后梳理了这些单独的信号。科学家通过改变施加于位于单层二硫化钼层下方的带电硅层的电压，调整了样本中的电子密度，从而观察在二硫化钼样本中，光线是如何被电子吸收的。
（图片来源：BerkeleyLab）
研究人员在测量过程中注意到一种轻微的“碰撞”，他们意识到这是带隙的直接测量，并且通过许多其他的实验，研究如何出通过改变材料中的电子密度，简单地调谐带隙。
价值
在这项研究期间，分子铸造厂纳米结构成像和操作部门的主任JamesSchuck说：
“这种巨大的调谐度真正地打开了人们的眼界。”
现任哥伦比亚大学的教授Schuck称：
“因为我们同时可以看到带隙的边缘和激子，所以我们能够分别地理解它们，以及理解它们之间的关系。结果是所有这些特性之间都相互依赖。”
Schuck也提到，二硫化钼是“极度敏感于其局部环境”，这一点让它成为一些列传感器的候选材料。因为它对于光学和电子效应高度敏感，它可以将光线转化为电信号，反之亦然。
Schuck称，团队希望使用分子铸造厂中的一些列技术手段，创造其它类型的单层材料和堆叠式多层二维样本，以及最终测量它们的带隙。他说：
“目前，还没人知道其它一些材料的带隙。”
团队也具备使用纳米探针的专业技能，能够映射给定样本的电子特性。
Borys补充说：
“我们当然希望，这项搞研究能为未来其它二维半导体系统的研究奠定基础。”
参考资料
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