自石墨烯的成功製備以來，二維層狀材料 (2D layered materials，2DLM) 被認為是實現下一代光電子器件的最有前景的半導體材料體系之一，由於其具有優異的柔性、顯著的量子效應、可通過厚度/應變調控的物理性質、無懸掛鍵的表面以及易集成性等眾多優點。
迄今為止，已有上百種 2DLMs 被發展用於光電探測研究並且取得了許多令人鼓舞的進展，但是，2DLM 光電探測器的相關研究仍面臨着一些難以克服的挑戰。
針對上述難題，中山大學材料科學與工程學院姚健東副教授、楊國偉教授以及湖南師範大學物理與電子科學學院歐陽鋼教授合作提出了一種新型的多功能耦合器件結構【即 out-of-plane 2DLM / in-plane 2DLM，O-2DLM / I-2DLM，本文以 O-SnS/I-ZnIn2S4 (ZIS) 為具體研究對象】並基於脈衝激光沉積 (pulsed-laser deposition, PLD) 技術實現了其大面積的可控制備。
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Fig. 1 (a) Experimental setup and preparation procedures. (b) SEM of ZIS. (c–d) SEM images of SnS/ZIS. (e) XRD patterns. (f) Raman spectra. (g) PL spectra.
圖 2. O-SnS/I-ZIS 的光學與光電特性
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Fig. 2 (a) Absorption spectra. (b) Reflection spectrum. (c) Schematic of a SnS/ZIS photodetector. (d–i) Responsivity upon various illuminations. (j–l) A summary of responsivity, EQE and detectivity of the ZIS and SnS/ZIS photodetectors.
一方面，沿面外生長的豎直 SnS 納米片能夠引起入射光的多重散射，從而導致顯著的陷光效應並大幅增加器件的光吸收。此外，O-SnS 納米片的高載流子遷移率促進了光生載流子的層間輸運。另外，SnS 與 ZIS 形成 II 型能帶排列，進一步促進了光生電子-空穴對的空間分離。
圖 3. O-SnS/I-ZIS 光電探測器的機理研究
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Fig. 3 UPS spectra of (a–b) ZIS and (c–d) SnS. (e) Working mechanisms of the O-SnS/I-ZIS photodetector.
圖 4. 光學性質與輸運性質的理論研究
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最後，利用 PLD 的大面積沉積特性初步實現了器件陣列 (14×14) 的集成並基於 O-SnS/I-ZIS 光電探測器展示了概念驗證的光電成像應用。
圖 5. 器件陣列的製備、光電成像應用及穩定性研究
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總而言之，該項研究提出了一種能夠集成多重增益效應的多功能耦合異質器件結構，它是對傳統的范德華異質結的補充，對於實現下一代高性能光電器件具有重要的指導意義。
相關研究成果以「High-performance hierarchical O-SnS/I-ZnIn2S4 photodetectors by leveraging the synergy of optical regulation and band tailoring」為題發表於英國皇家學會知名材料期刊 Materials Horizons，併入選為期刊內封底文章（Inside back cover）。中山大學材料科學與工程學院碩士生葉俏珏以及湖南師範大學物理與電子科學學院博士生徐德高、蔡彪為本文共同第一作者，姚健東副教授與歐陽鋼教授為本文通訊作者，楊國偉教授對本研究工作作出重要指導。
中山大學
葉俏珏，現就讀於中山大學材料科學與工程學院，碩士研究生，主要從事於二維材料的合成及其光電器件應用研究。
博士研究生
徐德高，現就讀於湖南師範大學物理與電子科學學院，博士研究生，主要從事二維三元化合物的光電特性以及電子輸運的研究。徐德高，現就讀於湖南師範大學物理與電子科學學院，博士研究生，主要從事二維三元化合物的光電特性以及電子輸運的研究。
博士研究生
蔡彪，現就讀於湖南師範大學物理與電子科學學院，博士研究生，主要從事 TMD基混合維度范德華異質結光電性質調控的鍵弛豫理論研究。
中山大學
姚健東，副教授，中山大學材料科學與工程學院百人計劃青年學術骨幹。長期從事於新型二維材料的合成及其光電器件應用與機理分析研究。以一作/通訊作者身份在 Prog. Mater.Sci.、Mater. Horiz.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Nano Today、Adv. Sci.、Small、Small Methods、Appl. Phys. Lett.、Nanoscale 等國際學術期刊發表多篇學術論文，總引用 3000 余次。
湖南師範大學
歐陽鋼，教授，博士生導師，從事光電材料與器件的理論與計算研究，在 Chem. Rev.、J. Am. Chem. Soc.、Nano Lett.、Light Sci. Appl.、Appl. Surf. Sci.、Appl. Phys. Lett.、Phys. Rev. B、New J. Phys.、J. Phys. Chem. C 等期刊發表學術論文 120 余篇。
rsc.li/materials-horizons
Materials Horizons 是材料科學領域的領導性期刊，發表高質量、高創新性的研究成果。該期刊側重於原創性研究，強調所發表的論文要提出新的概念或新的思維方式（概念上的進展），而不是以報道技術方面的進展為主。當然，在概念上未有創新但實現了突破性進展的傑出工作（例如材料性能突破已有紀錄）也有被發表的機會。另外，該刊要求所發表的論文能引起材料科學各領域讀者的廣泛興趣。
Martina Stenzel🇦🇺 新南威爾士大學
Bruno Chaudret🇫🇷 圖盧茲大學
Jean-Luc Bredas🇺🇸 美國亞利桑那大學
Guoping Chen (陳國平)🇯🇵 日本國立材料科學研究所
Kisuk Kang🇰🇷 首爾國立大學
Norbert Koch🇩🇪 柏林洪堡大學
Thuc-Quyen Nguyen🇺🇸 加州大學聖塔芭芭拉分校
Roisin Owens🇬🇧 劍橋大學
Xun Wang (王訓)🇨🇳 清華大學
Yi Long (龍禕)🇸🇬 南洋理工大學
Editorial board members
Lei Jiang (江雷)🇨🇳 北京航空航天大學
Mark Thompson🇺🇸 南加州大學
Shu Yang (楊澍)🇺🇸 賓夕法尼亞大學
* 2021 Journal Citation Reports (Clarivate, 2022)†CiteScore 2021 by Elsevier‡中位數，僅統計進入同行評審階段的稿件
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