利用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了不同层数MoS2和VS2堆垛形成的范德瓦耳斯异质结的电子结构和光学性能。通过从头算分子动力学验证了两种异质结在室温下的稳定性。此外, 两种异质结均显示p型肖特基接触, 但相较于单层MoS2构成的异质结, 在双层MoS2和VS2堆垛形成的异质结中, 势垒高度从0.36 eV显著降低到0.08 eV, 有效地形成了低接触电阻, 有助于降低载流子输运损失的能量。光吸收光谱的计算表明, 双层MoS2构成的异质结具有更高的吸收峰值。研究成果对基于MoS2的异质结设计以及在高性能光电器件方面的应用提供了理论依据。

由二维材料制成的范德华异质结为设计和实现多功能和高性能的电子、光电设备提供了竞争机会。为了构建能够在室温下工作的异质结，选择一种五边形二维层状贵金属过渡金属双硫分子配合物PdSe₂，其具有空气稳定性及高电子场效应迁移率。在刚性SiO₂/Si衬底上制造的InSe器件具有约50 ms的响应时间，在光开关中表现出长期稳定性，能够在柔性基板上运作。在肖特基结和异质结的适当能带对准设计下，PdSe₂和InSe构成的异质结构在室温下显示出超过10⁶的高反向整流比和低于pA的超低正向电流，同时具有超过10⁸的高电流开/关比。因此，PdSe₂ / InSe范德华异质结可以用作超灵敏的光电探测器，表现出明显的光伏效应，具有光谱检测能力。该研究为基于二维材料的范德华集成和设计以及光电多功能设备的能带对准技术提供了新思路。

提高二维纳米材料的非线性光学响应,推动非线性光学在光电子领域的应用,是当前的一项巨大挑战,而构建高质量的范德瓦耳斯异质结,研究其非线性光学响应的内在机理,是解决途径之一。本文采用液相剥离结合真空抽滤技术,选择不同的混合方式(粉末混合、超声后混合、离心后混合),构建了三种二硫化铼/石墨烯异质结薄膜,并利用拉曼光谱仪、近红外吸收光谱仪以及原子力显微镜等对其进行了光学表征。采用自主搭建的高重复频率、窄脉宽飞秒Z扫描系统,重点研究了上述异质结薄膜在800 nm处的非线性光学特性,得到了其三阶非线性极化率虚部、品质因数等重要的非线性光学参数。结果表明:异质结的成功构建使得材料的非线性光学响应显著增强,超声后混合的二硫化铼/石墨烯薄膜的品质因数是纯二硫化铼薄膜的3.5倍,纯石墨烯的1.6倍;超声后混合的二硫化铼/石墨烯薄膜具有最高的反饱和吸收特性,其品质因数相较于粉末混合、离心后混合的异质结薄膜分别提高了44%和27%。本文为范德瓦耳斯异质结的制备提供了新思路,同时也为飞秒光限幅器件的研究打下了理论基础。

为了实现紫外-可见波段的高响应度/低成本的广光谱光电探测,我们制备了基于一维p型Se微米线与二维n型InSe纳米片的混维范德瓦尔斯异质结广光谱探测器。得益于Se微米线与二维层状结构InSe纳米片的高结晶质量, 该器件在紫外-可见光广光谱范围都具有非常高的响应度, 该器件的响应截止边为700 nm。 值得指出的是, 该器件在-5 V的偏压下, 对460 nm的光源响应度可以达到108 mA/W,该数值比原来的Se探测器高了800%。这项研究有利于拓展我们对范德瓦尔斯异质结的认识, 也为今后制备高性能的低维光电探测器提供了一种新的途径。