多維調(diào)控策略下二維層狀材料光學(xué)與光電性能的優(yōu)化與拓展一、引言1.1研究背景與意義二維層狀材料作為材料科學(xué)領(lǐng)域的前沿研究對象，近年來吸引了廣泛的關(guān)注與深入的研究。這類材料具有獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)，僅由一個(gè)或幾個(gè)原子層組成，其厚度在納米尺度范圍內(nèi)，展現(xiàn)出與傳統(tǒng)三維材料截然不同的物理化學(xué)性質(zhì)。二維層狀材料的原子在二維平面內(nèi)通過強(qiáng)共價(jià)鍵緊密結(jié)合，而層與層之間則依靠較弱的范德華力相互作用，這種特殊的結(jié)構(gòu)賦予了二維層狀材料許多優(yōu)異特性。從光學(xué)性質(zhì)角度來看，二維層狀材料表現(xiàn)出卓越的光與物質(zhì)相互作用能力。以石墨烯為例，它雖然只有單原子層厚度，卻能吸收約2.3%的可見光，這一特性使其在光電器件中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，如可用于制備高性能的光電探測器。過渡金屬硫族化合物（TMDs），如二硫化鉬（MoS_2）、二硒化鎢（WSe_2）等，具有直接帶隙特性，在可見光和近紅外光區(qū)域表現(xiàn)出強(qiáng)烈的光吸收和發(fā)射特性，為光發(fā)射二極管、激光器等光電器件的發(fā)展提供了新的材料選擇。二維層狀材料還具有顯著的非線性光學(xué)效應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)光頻率轉(zhuǎn)換、光開關(guān)等功能，在光通信和量子光學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。在光電性能方面，二維層狀材料同樣展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。許多二維半導(dǎo)體材料具有較高的載流子遷移率，例如黑磷，其載流子遷移率可達(dá)到1000cm^2/(V?s)以上，這使得它在高速電子學(xué)器件中具有潛在應(yīng)用前景。二維材料的原子級(jí)厚度和高比表面積使其對周圍環(huán)境的變化非常敏感，基于此可制備高靈敏度的氣體傳感器和生物傳感器。二維層狀材料還在能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，如在鋰離子電池、超級(jí)電容器等儲(chǔ)能器件中，二維材料的獨(dú)特結(jié)構(gòu)能夠提供更多的活性位點(diǎn)，有利于離子的快速擴(kuò)散和存儲(chǔ)，從而提高器件的性能。然而，二維層狀材料的本征光學(xué)和光電性能往往無法完全滿足實(shí)際應(yīng)用的多樣化需求。在實(shí)際應(yīng)用中，常常需要材料具備特定的性能參數(shù)，如在光通信領(lǐng)域，需要光電器件具有特定的發(fā)光波長和高效率的光發(fā)射；在高速電子學(xué)中，需要材料具有更高的載流子遷移率和更低的電阻。因此，對二維層狀材料的光學(xué)和光電性能進(jìn)行有效調(diào)控成為了該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和關(guān)鍵挑戰(zhàn)。通過性能調(diào)控，可以拓寬二維層狀材料的應(yīng)用范圍，提高其在各類器件中的性能表現(xiàn)，推動(dòng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新。例如，通過對二維材料進(jìn)行元素?fù)诫s，可以改變其能帶結(jié)構(gòu)，從而調(diào)控其光學(xué)帶隙，使其發(fā)光波長滿足不同的應(yīng)用需求；通過與其他材料復(fù)合，可以改善其電學(xué)性能，提高載流子遷移率和穩(wěn)定性。對二維層狀材料的光學(xué)和光電性能調(diào)控的研究不僅具有重要的科學(xué)意義，能夠深化我們對低維材料物理化學(xué)性質(zhì)的理解，探索新的物理現(xiàn)象和規(guī)律，而且在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。在光電器件領(lǐng)域，性能調(diào)控后的二維層狀材料有望用于制備高性能的光電探測器、發(fā)光二極管、激光器等，推動(dòng)光通信、光顯示、光存儲(chǔ)等技術(shù)的發(fā)展；在能源領(lǐng)域，可用于開發(fā)高效的太陽能電池、儲(chǔ)能器件等，為解決能源問題提供新的材料和技術(shù)途徑；在傳感器領(lǐng)域，能夠制備出高靈敏度、高選擇性的傳感器，用于環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學(xué)檢測等方面。因此，開展二維層狀材料的光學(xué)和光電性能調(diào)控研究具有重要的理論和實(shí)際意義。1.2二維層狀材料概述1.2.1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)二維層狀材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)鮮明，最顯著的特征是其原子級(jí)厚度。它們通常僅由一個(gè)或幾個(gè)原子層組成，這種原子級(jí)別的厚度賦予了材料獨(dú)特的量子限域效應(yīng)。以石墨烯為例，它是由碳原子以六邊形晶格緊密排列而成的單原子層材料，其厚度僅約為0.34nm。在如此薄的結(jié)構(gòu)下，電子的運(yùn)動(dòng)被限制在二維平面內(nèi)，表現(xiàn)出與三維材料中電子截然不同的行為，如電子具有極高的遷移率，在室溫下可達(dá)2\times10^5cm^2/(V?s)，這使得石墨烯在高速電子學(xué)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。二維層狀材料的層間存在弱相互作用，主要為范德華力。這種弱相互作用與層內(nèi)原子間的強(qiáng)共價(jià)鍵形成鮮明對比。層內(nèi)原子通過強(qiáng)共價(jià)鍵緊密結(jié)合，保證了材料在二維平面內(nèi)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和力學(xué)強(qiáng)度；而層間的范德華力較弱，使得層與層之間可以相對滑動(dòng)，這一特性賦予了二維層狀材料良好的柔韌性和可加工性。例如，二硫化鉬（MoS_2）是由硫原子和鉬原子組成的二維層狀材料，其層內(nèi)原子通過共價(jià)鍵形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，而層間的范德華力使得MoS_2可以通過機(jī)械剝離等方法制備成少層或單層材料，并且在一些應(yīng)用中能夠利用層間的相對滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)特殊的功能，如在潤滑領(lǐng)域展現(xiàn)出優(yōu)異的性能。此外，弱的層間相互作用還使得二維層狀材料易于與其他分子或材料進(jìn)行復(fù)合，通過插層等方式引入客體分子，從而調(diào)控材料的性能，為材料的多功能化設(shè)計(jì)提供了可能。1.2.2常見類型常見的二維層狀材料種類繁多，各具特色。石墨烯作為最早被發(fā)現(xiàn)和研究的二維層狀材料，具有優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)和熱學(xué)性能。它的載流子遷移率極高，如前文所述，在室溫下可達(dá)2\times10^5cm^2/(V?s)，同時(shí)具有出色的熱導(dǎo)率，理論值可達(dá)到5300W/(m?K)，這使得石墨烯在高速電子器件、散熱材料等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在電子學(xué)中，石墨烯可用于制備高性能的場效應(yīng)晶體管，有望提高集成電路的運(yùn)行速度和降低功耗；在散熱領(lǐng)域，石墨烯基散熱材料能夠有效地將熱量傳導(dǎo)出去，提高電子設(shè)備的散熱效率。二硫化鉬（MoS_2）是過渡金屬硫族化合物（TMDs）的典型代表。它具有直接帶隙特性，在單層狀態(tài)下，帶隙約為1.8eV，這一特性使其在光電器件領(lǐng)域表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。MoS_2在可見光和近紅外光區(qū)域具有強(qiáng)烈的光吸收和發(fā)射特性，可用于制備光發(fā)射二極管、光電探測器等光電器件。例如，基于MoS_2的光電探測器能夠?qū)崿F(xiàn)對微弱光信號(hào)的高效探測，在光通信、生物醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。MoS_2還具有良好的催化性能，在析氫反應(yīng)等能源相關(guān)的催化過程中展現(xiàn)出較高的催化活性和穩(wěn)定性。黑磷也是一種重要的二維層狀材料，它具有與石墨烯和MoS_2不同的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)。黑磷具有各向異性的晶體結(jié)構(gòu)，其原子在二維平面內(nèi)呈褶皺狀排列，這種結(jié)構(gòu)賦予了黑磷獨(dú)特的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。黑磷的載流子遷移率較高，可達(dá)到1000cm^2/(V?s)以上，同時(shí)具有直接帶隙，帶隙值可在0.3-2.0eV之間調(diào)控，這取決于其層數(shù)。由于其合適的帶隙和較高的載流子遷移率，黑磷在半導(dǎo)體器件領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景，如可用于制備高性能的晶體管、光電探測器等。黑磷還具有良好的生物相容性，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也展現(xiàn)出一定的應(yīng)用潛力，如可用于生物傳感器、藥物輸送等方面。1.2.3基本性質(zhì)在電學(xué)性質(zhì)方面，二維層狀材料展現(xiàn)出多樣化的特性。石墨烯是零帶隙的半金屬，其獨(dú)特的狄拉克錐能帶結(jié)構(gòu)使得電子具有線性色散關(guān)系，表現(xiàn)出高速的電子遷移率和優(yōu)異的電學(xué)導(dǎo)電性。這一特性使得石墨烯在電子學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，例如可用于制備透明導(dǎo)電電極，應(yīng)用于觸摸屏、太陽能電池等器件中，能夠提高器件的導(dǎo)電性和透光性。而二硫化鉬等過渡金屬硫族化合物在單層狀態(tài)下具有直接帶隙，在多層時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)殚g接帶隙，這種能帶結(jié)構(gòu)的變化使其在半導(dǎo)體器件應(yīng)用中具有重要意義，可用于制備場效應(yīng)晶體管、邏輯電路等，通過調(diào)控層數(shù)和摻雜等手段，可以實(shí)現(xiàn)對其電學(xué)性能的有效調(diào)控，滿足不同的應(yīng)用需求。二維層狀材料在光學(xué)性質(zhì)上也表現(xiàn)出色。許多二維材料具有強(qiáng)烈的光與物質(zhì)相互作用，能夠吸收和發(fā)射特定波長的光。以二硫化鉬為例，由于其直接帶隙特性，在可見光和近紅外光區(qū)域表現(xiàn)出強(qiáng)烈的光吸收和發(fā)射特性，可用于制備光發(fā)射二極管、激光器等光電器件。一些二維材料還具有顯著的非線性光學(xué)效應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)光頻率轉(zhuǎn)換、光開關(guān)等功能，在光通信和量子光學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。例如，石墨烯由于其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的非線性光學(xué)響應(yīng)，可用于超快光開關(guān)、光限幅等應(yīng)用，為光通信系統(tǒng)的高速化和小型化提供了新的解決方案。二維層狀材料還具有一定的力學(xué)性質(zhì)。盡管它們的厚度僅為原子級(jí)，但由于層內(nèi)原子間的強(qiáng)共價(jià)鍵作用，使得二維層狀材料在二維平面內(nèi)具有較高的力學(xué)強(qiáng)度。以石墨烯為例，它具有出色的拉伸強(qiáng)度，理論值可達(dá)130GPa，這使得石墨烯在柔性電子器件、復(fù)合材料等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。在柔性電子器件中，石墨烯可以作為柔性基底或電極材料，能夠承受一定程度的彎曲和拉伸而不發(fā)生破裂，保證器件的穩(wěn)定性和可靠性；在復(fù)合材料中，添加石墨烯可以顯著提高材料的力學(xué)性能，如增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性。二維層狀材料的力學(xué)性質(zhì)還與其層間相互作用有關(guān)，層間的范德華力雖然較弱，但在一定程度上也會(huì)影響材料的整體力學(xué)性能，通過調(diào)控層間相互作用，可以進(jìn)一步優(yōu)化材料的力學(xué)性能。1.3研究現(xiàn)狀與問題在二維層狀材料的光學(xué)和光電性能調(diào)控研究方面，目前已取得了一系列重要成果。在光學(xué)性能調(diào)控領(lǐng)域，眾多研究聚焦于材料的帶隙工程。科研人員通過化學(xué)摻雜的方式，成功改變了二維層狀材料的電子結(jié)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對其光學(xué)帶隙的有效調(diào)控。如在過渡金屬硫族化合物中引入特定雜質(zhì)原子，能夠精準(zhǔn)調(diào)整材料的光吸收和發(fā)射特性，使其在光電器件應(yīng)用中展現(xiàn)出更為優(yōu)異的性能。此外，應(yīng)變工程也是一種常用的調(diào)控手段。通過對二維材料施加機(jī)械應(yīng)變，可以改變其原子間的鍵長和鍵角，從而實(shí)現(xiàn)對帶隙的連續(xù)調(diào)節(jié)，為制備高性能的發(fā)光二極管和激光器提供了新的途徑。在光電性能調(diào)控方面，通過與襯底或其他材料形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，成為優(yōu)化二維層狀材料電學(xué)性能的重要策略。以石墨烯與氮化硼形成的異質(zhì)結(jié)為例，這種結(jié)構(gòu)有效地改善了石墨烯的電學(xué)性能，使其在高速電子學(xué)領(lǐng)域具有更廣闊的應(yīng)用前景。通過表面修飾引入特定的官能團(tuán)，能夠顯著改變材料的表面電荷分布，進(jìn)而調(diào)控其載流子遷移率和電導(dǎo)率，滿足不同應(yīng)用場景的需求。盡管在二維層狀材料的光學(xué)和光電性能調(diào)控方面取得了上述顯著進(jìn)展，但當(dāng)前研究仍存在諸多問題。在調(diào)控機(jī)制的研究上，雖然對一些調(diào)控方法的宏觀效果有了一定的認(rèn)識(shí)，但對于微觀層面的作用機(jī)制，仍缺乏深入且系統(tǒng)的理解。例如，在化學(xué)摻雜過程中，雜質(zhì)原子與二維材料原子之間的相互作用細(xì)節(jié)，以及這種相互作用如何影響電子態(tài)和能帶結(jié)構(gòu)，尚未完全明晰。這使得在實(shí)際應(yīng)用中，難以實(shí)現(xiàn)對性能的精確調(diào)控和優(yōu)化。在調(diào)控方法的普適性和可控性方面，現(xiàn)有的許多調(diào)控手段往往僅適用于特定類型的二維層狀材料，缺乏廣泛的普適性。而且，調(diào)控過程中的參數(shù)控制難度較大，難以實(shí)現(xiàn)對性能的精確、可重復(fù)調(diào)控。例如，在一些基于物理氣相沉積的生長過程中，生長條件的微小波動(dòng)可能導(dǎo)致材料性能的顯著差異，限制了大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。在材料的穩(wěn)定性和兼容性方面，部分調(diào)控方法可能會(huì)對二維層狀材料的穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響，或者與其他材料的兼容性較差。例如，某些化學(xué)修飾方法可能會(huì)引入不穩(wěn)定的化學(xué)鍵，導(dǎo)致材料在長期使用過程中性能逐漸退化。在與其他材料集成時(shí)，界面兼容性問題也可能導(dǎo)致器件性能下降，限制了二維層狀材料在復(fù)雜系統(tǒng)中的應(yīng)用。二、二維層狀材料的光學(xué)性能調(diào)控2.1影響光學(xué)性能的內(nèi)在因素2.1.1原子結(jié)構(gòu)與電子態(tài)二維層狀材料的原子結(jié)構(gòu)對其光學(xué)性能有著深遠(yuǎn)的影響。以石墨烯為例，其碳原子以六邊形晶格緊密排列成單原子層，這種獨(dú)特的原子排列方式賦予了石墨烯特殊的電子軌道分布。在石墨烯中，碳原子的sp^2雜化軌道形成了平面內(nèi)的\sigma鍵，保證了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而垂直于平面的\pi軌道則相互重疊，形成了離域的\pi電子云。這些離域的\pi電子具有高度的移動(dòng)性，使得石墨烯能夠與光發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用。在光的照射下，\pi電子可以吸收光子的能量，發(fā)生躍遷，從而表現(xiàn)出對光的吸收特性。研究表明，石墨烯在可見光范圍內(nèi)具有約2.3%的光吸收率，這一特性使其在光電器件中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，如可用于制備光電探測器，能夠?qū)崿F(xiàn)對光信號(hào)的高效探測。過渡金屬硫族化合物（TMDs），如二硫化鉬（MoS_2），其原子結(jié)構(gòu)由硫原子和鉬原子通過共價(jià)鍵組成的二維層狀結(jié)構(gòu)。在MoS_2中，鉬原子與周圍的硫原子形成了特定的配位結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)決定了其電子軌道的分布。MoS_2的電子態(tài)存在著價(jià)帶和導(dǎo)帶，且在單層狀態(tài)下具有直接帶隙，約為1.8eV。這種直接帶隙特性使得MoS_2在光的作用下，電子能夠直接從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，同時(shí)發(fā)射出光子，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的光發(fā)射特性。在光致發(fā)光實(shí)驗(yàn)中，單層MoS_2能夠發(fā)射出特定波長的光，其發(fā)光效率與原子結(jié)構(gòu)的完整性和電子態(tài)的分布密切相關(guān)。如果原子結(jié)構(gòu)中存在缺陷，如硫空位等，會(huì)改變電子態(tài)的分布，進(jìn)而影響光發(fā)射的效率和波長。2.1.2能帶結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)是決定二維層狀材料光吸收和發(fā)射特性的關(guān)鍵因素。對于具有直接帶隙的二維材料，如二硫化鉬（MoS_2）和二硒化鎢（WSe_2），其光吸收和發(fā)射過程相對簡單。在光吸收過程中，當(dāng)光子的能量大于材料的帶隙時(shí)，光子能夠激發(fā)電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，形成電子-空穴對，從而實(shí)現(xiàn)光的吸收。以單層MoS_2為例，其帶隙約為1.8eV，當(dāng)入射光的光子能量大于1.8eV時(shí)，如可見光中的藍(lán)光部分，能夠被MoS_2有效吸收。在光發(fā)射過程中，處于導(dǎo)帶的電子會(huì)自發(fā)地躍遷回價(jià)帶，與空穴復(fù)合，同時(shí)釋放出光子，光子的能量等于材料的帶隙能量，因此發(fā)射光的波長與帶隙相關(guān)。通過調(diào)控MoS_2的帶隙，如通過施加電場、與襯底相互作用等方式，可以改變其發(fā)射光的波長，這在光發(fā)射二極管等光電器件的設(shè)計(jì)中具有重要意義。對于具有間接帶隙的二維材料，如多層MoS_2，光吸收和發(fā)射過程相對復(fù)雜。在間接帶隙材料中，電子躍遷需要聲子的參與，這使得光吸收和發(fā)射的概率相對較低。在多層MoS_2中，由于層間的相互作用，能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，帶隙從直接帶隙轉(zhuǎn)變?yōu)殚g接帶隙。在光吸收過程中，光子激發(fā)電子躍遷時(shí)，不僅需要滿足能量守恒，還需要滿足動(dòng)量守恒，聲子的參與使得這一過程的概率降低，導(dǎo)致光吸收效率下降。在光發(fā)射過程中，電子-空穴復(fù)合時(shí)釋放光子的概率也較低，發(fā)光效率受到影響。然而，通過一些特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或與其他材料復(fù)合，可以增強(qiáng)間接帶隙二維材料的光吸收和發(fā)射性能。例如，將多層MoS_2與具有高載流子遷移率的材料復(fù)合，如石墨烯，利用石墨烯的高導(dǎo)電性和載流子遷移率，促進(jìn)電子-空穴對的分離和傳輸，從而提高光吸收和發(fā)射效率。2.2光學(xué)性能調(diào)控方法2.2.1化學(xué)摻雜化學(xué)摻雜是一種有效的調(diào)控二維層狀材料光學(xué)性能的方法，它通過引入雜質(zhì)原子來改變材料的電子結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響其光學(xué)性質(zhì)。以二維材料NbO(I_{0.60}Br_{0.40})_2為例，研究人員通過使用較小的Br^-離子替換晶體中的I^-離子，成功地調(diào)控了其非線性光學(xué)特性。這種陰離子摻雜方式與物理壓力對晶格的作用類似，都是通過調(diào)控二維材料的Peierls畸變來實(shí)現(xiàn)對其二次諧波響應(yīng)的調(diào)制。在NbO(I_{0.60}Br_{0.40})_2中，Peierls畸變與二次諧波響應(yīng)之間存在著明顯的構(gòu)性關(guān)系。當(dāng)進(jìn)行化學(xué)摻雜時(shí)，Br^-離子的引入改變了晶體的晶格結(jié)構(gòu)，使得Nb原子的偏心程度發(fā)生變化，從而影響了晶體的二階非線性磁化率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，NbO(I_{0.60}Br_{0.40})_2化合物表現(xiàn)出最高的Peierls畸變和最強(qiáng)的二次諧波響應(yīng)。這是因?yàn)锽r^-離子的半徑小于I^-離子，當(dāng)Br^-離子替換I^-離子后，晶格參數(shù)發(fā)生改變，Nb原子周圍的電子云分布也隨之改變，導(dǎo)致Peierls畸變增大，進(jìn)而增強(qiáng)了二次諧波響應(yīng)。通過化學(xué)摻雜調(diào)控NbO(I_{0.60}Br_{0.40})_2的非線性光學(xué)性能，為二維層狀材料在非線性光學(xué)器件中的應(yīng)用提供了新的思路和方法。這種方法可以精確地調(diào)控材料的光學(xué)性能，使其滿足不同應(yīng)用場景的需求，如在光通信、光計(jì)算等領(lǐng)域中，可用于制備高性能的光頻率轉(zhuǎn)換器件、光開關(guān)等。2.2.2結(jié)構(gòu)畸變調(diào)控結(jié)構(gòu)畸變調(diào)控是另一種重要的光學(xué)性能調(diào)控手段，它通過改變二維層狀材料的原子結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對光學(xué)性能的調(diào)控。以NbOI_2為例，研究人員利用壓力調(diào)控結(jié)合多種原位測試技術(shù)和理論計(jì)算，揭示了其Peierls畸變與二次諧波響應(yīng)之間的明顯構(gòu)性關(guān)系。NbOI_2是一種具有內(nèi)在結(jié)構(gòu)畸變的特殊二維范德華層狀材料，其高度扭曲的結(jié)構(gòu)賦予了材料明顯的二次諧波響應(yīng)。通過高壓手段調(diào)控NbOI_2的結(jié)構(gòu)畸變，可以進(jìn)一步增強(qiáng)其二次諧波響應(yīng)。在2.5GPa的壓力下，NbOI_2的二次諧波響應(yīng)強(qiáng)度提升了2倍。這是因?yàn)閴毫ψ饔檬沟肗b原子的偏心程度進(jìn)一步加劇，從而提高了晶體的二階非線性磁化率。具體來說，壓力改變了Nb原子與周圍原子的鍵長和鍵角，使得晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，這種結(jié)構(gòu)畸變影響了電子云的分布，進(jìn)而增強(qiáng)了二次諧波響應(yīng)。應(yīng)變工程也可以實(shí)現(xiàn)對NbOI_2結(jié)構(gòu)畸變的調(diào)控。通過對NbOI_2施加定向單軸應(yīng)變，研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)力場可以通過晶格拉伸增強(qiáng)Nb原子的偏心位移并提升其穩(wěn)定性，產(chǎn)生更強(qiáng)的內(nèi)建壓電場以貢獻(xiàn)額外的二次諧波信號(hào)；在非極性方向，Nb-O和Nb-I化學(xué)鍵原子相對位移在應(yīng)變作用下發(fā)生改變，導(dǎo)致晶格Peierls畸變增強(qiáng)，從而提升二次諧波信號(hào)。這種通過結(jié)構(gòu)畸變調(diào)控光學(xué)性能的方法，為二維層狀材料在非線性光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了重要的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，有助于開發(fā)高性能的非線性光學(xué)器件，如二次諧波發(fā)生器、光參量振蕩器等。2.2.3層間耦合調(diào)控層間耦合調(diào)控是基于二維層狀材料層間弱相互作用的特點(diǎn)，通過改變層間的耦合方式和強(qiáng)度來調(diào)控材料的光學(xué)性能。以扭曲雙層MoS_2為例，其獨(dú)特的堆疊順序和層間相互作用使其在光學(xué)性質(zhì)方面展現(xiàn)出與單層MoS_2不同的特性。當(dāng)雙層MoS_2以一定的扭轉(zhuǎn)角度堆疊時(shí)，會(huì)形成莫爾超晶格結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致層間周期性耦合的調(diào)制，進(jìn)而影響激子的性質(zhì)和光學(xué)行為。研究表明，在扭曲雙層MoS_2中，激子的性質(zhì)受到轉(zhuǎn)角的周期性調(diào)制。在低溫下，觀察到1.70-1.80eV之間的局域態(tài)激子，由于局域超晶格的存在，局域態(tài)激子比直接激子更容易受到轉(zhuǎn)角的影響。扭轉(zhuǎn)角度的變化還會(huì)引起材料的能量狀態(tài)和相互作用的顯著變化，導(dǎo)致出現(xiàn)復(fù)雜的電場分布和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在較大扭轉(zhuǎn)角度下，雙層MoS_2進(jìn)入不一致區(qū)域，原有的長程有序平移對稱性被打破，形成復(fù)雜的莫爾超晶格和電荷密度波現(xiàn)象，這些變化都會(huì)對材料的光學(xué)行為產(chǎn)生影響，如光吸收、光發(fā)射等特性會(huì)發(fā)生改變。通過調(diào)控扭曲雙層MoS_2的層間耦合，可以實(shí)現(xiàn)對其光學(xué)性能的有效調(diào)控，為開發(fā)新型的光電器件提供了新的途徑。例如，利用其獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，可以制備高性能的發(fā)光二極管、光電探測器等，在光通信、生物醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。2.3光學(xué)性能調(diào)控的應(yīng)用2.3.1光電器件應(yīng)用在光電探測器領(lǐng)域，二維層狀材料的光學(xué)性能調(diào)控展現(xiàn)出了重要的應(yīng)用價(jià)值。以石墨烯為例，由于其零帶隙和高載流子遷移率的特性，本征石墨烯對光的吸收和探測能力有限。通過化學(xué)摻雜，如引入氮、硼等雜質(zhì)原子，可以改變石墨烯的電子結(jié)構(gòu)，使其產(chǎn)生一定的帶隙，從而增強(qiáng)對光的吸收能力。研究表明，氮摻雜的石墨烯在近紅外光區(qū)域的光吸收效率顯著提高，基于這種摻雜石墨烯制備的光電探測器，其響應(yīng)度和探測靈敏度得到了明顯提升，能夠?qū)崿F(xiàn)對微弱光信號(hào)的有效探測，在光通信、生物醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。在發(fā)光二極管方面，過渡金屬硫族化合物（TMDs）的光學(xué)性能調(diào)控為高性能發(fā)光二極管的制備提供了新的途徑。以二硫化鉬（MoS_2）為例，通過結(jié)構(gòu)畸變調(diào)控，如施加機(jī)械應(yīng)變，可以改變其原子間的鍵長和鍵角，進(jìn)而調(diào)控其能帶結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對MoS_2施加一定的拉伸應(yīng)變時(shí)，其帶隙會(huì)發(fā)生變化，發(fā)射光的波長也會(huì)相應(yīng)改變。這種通過應(yīng)變調(diào)控實(shí)現(xiàn)發(fā)光波長可調(diào)的特性，使得MoS_2在可調(diào)節(jié)顏色的發(fā)光二極管中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，有望應(yīng)用于全彩顯示、照明等領(lǐng)域。2.3.2光學(xué)傳感應(yīng)用在生物傳感領(lǐng)域，二維層狀材料的光學(xué)性能調(diào)控基于其高比表面積和對周圍環(huán)境敏感的特性。以石墨烯為例，由于其單原子層結(jié)構(gòu)，具有極高的比表面積，能夠與生物分子充分接觸。通過表面修飾，如引入特定的生物識(shí)別分子，如抗體、核酸適配體等，可以實(shí)現(xiàn)對特定生物分子的特異性識(shí)別。當(dāng)目標(biāo)生物分子與修飾在石墨烯表面的識(shí)別分子結(jié)合時(shí)，會(huì)引起石墨烯的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，例如光吸收、光發(fā)射等特性的改變。利用這些光學(xué)性質(zhì)的變化，可以實(shí)現(xiàn)對生物分子的高靈敏度檢測。研究表明，基于石墨烯的生物傳感器能夠檢測到極低濃度的生物標(biāo)志物，如腫瘤標(biāo)志物、病毒等，在生物醫(yī)學(xué)診斷、疾病監(jiān)測等方面具有重要的應(yīng)用前景。在氣體傳感領(lǐng)域，二維層狀材料的光學(xué)性能調(diào)控同樣發(fā)揮著關(guān)鍵作用。以二硫化鉬（MoS_2）為例，其對某些氣體分子具有吸附作用。當(dāng)氣體分子吸附在MoS_2表面時(shí)，會(huì)與MoS_2發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，從而改變MoS_2的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。通過化學(xué)摻雜，如引入氧、氮等雜質(zhì)原子，可以提高M(jìn)oS_2對特定氣體分子的吸附能力和選擇性。研究發(fā)現(xiàn)，氧摻雜的MoS_2對二氧化氮?dú)怏w具有更高的吸附親和力和靈敏度，當(dāng)二氧化氮?dú)怏w吸附在氧摻雜的MoS_2表面時(shí)，會(huì)導(dǎo)致MoS_2的光吸收發(fā)生明顯變化，通過檢測這種光吸收的變化，可以實(shí)現(xiàn)對二氧化氮?dú)怏w的高靈敏度檢測，在環(huán)境監(jiān)測、空氣質(zhì)量檢測等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。三、二維層狀材料的光電性能調(diào)控3.1影響光電性能的關(guān)鍵因素3.1.1載流子遷移率載流子遷移率是決定二維層狀材料光電性能的關(guān)鍵因素之一，它反映了載流子在材料中移動(dòng)的難易程度。以石墨烯為例，其具有極高的載流子遷移率，在室溫下可達(dá)2\times10^5cm^2/(V?s)，這主要?dú)w因于其獨(dú)特的狄拉克錐能帶結(jié)構(gòu)。在石墨烯中，電子表現(xiàn)出線性色散關(guān)系，類似于無質(zhì)量的相對論粒子，這種特殊的電子行為使得電子在石墨烯中能夠快速移動(dòng)，幾乎不受散射的影響，從而具有極高的遷移率。高載流子遷移率使得石墨烯在高速電子學(xué)器件中具有巨大的應(yīng)用潛力，例如可用于制備高性能的場效應(yīng)晶體管，能夠顯著提高器件的運(yùn)行速度和降低功耗。對于過渡金屬硫族化合物（TMDs），如二硫化鉬（MoS_2），其載流子遷移率受到多種因素的影響。MoS_2的原子結(jié)構(gòu)和晶體質(zhì)量對載流子遷移率起著重要作用。在理想的晶體結(jié)構(gòu)中，載流子遷移率相對較高；然而，當(dāng)晶體中存在缺陷，如硫空位等，會(huì)增加載流子的散射幾率，從而降低載流子遷移率。研究表明，通過化學(xué)摻雜引入雜質(zhì)原子，如在MoS_2中摻雜氧原子，雖然可以改變其電子結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對光電性能的其他方面調(diào)控，但同時(shí)也可能引入額外的散射中心，導(dǎo)致載流子遷移率下降。外界因素，如溫度、電場等也會(huì)對MoS_2的載流子遷移率產(chǎn)生影響。在低溫下，載流子的散射主要來源于晶格振動(dòng)，隨著溫度升高，晶格振動(dòng)加劇，散射增強(qiáng)，載流子遷移率降低；而在一定范圍內(nèi)施加電場，可以改變載流子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，影響其遷移率。3.1.2界面特性界面特性在二維層狀材料的光電性能中扮演著至關(guān)重要的角色。當(dāng)二維層狀材料與襯底或其他材料形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)，界面質(zhì)量對光電性能有著顯著影響。以石墨烯與氮化硼形成的異質(zhì)結(jié)為例，高質(zhì)量的界面能夠減少界面處的缺陷和雜質(zhì)，降低載流子的散射幾率，從而有利于載流子的傳輸。研究表明，通過化學(xué)氣相沉積（CVD）等方法制備的石墨烯/氮化硼異質(zhì)結(jié)，當(dāng)界面質(zhì)量良好時(shí)，載流子在界面處的傳輸效率較高，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的電荷轉(zhuǎn)移。在這種異質(zhì)結(jié)中，界面處的原子排列較為規(guī)整，晶格匹配度高，減少了界面態(tài)的產(chǎn)生，使得載流子能夠順利通過界面，提高了器件的電學(xué)性能。界面電荷轉(zhuǎn)移也是影響光電性能的重要因素。在二維材料與其他材料的界面處，電荷轉(zhuǎn)移會(huì)改變材料的電子結(jié)構(gòu)和能帶分布。以黑磷與硅形成的異質(zhì)結(jié)為例，當(dāng)黑磷與硅接觸時(shí)，由于兩者的功函數(shù)不同，會(huì)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，在界面處形成內(nèi)建電場。這種內(nèi)建電場會(huì)影響載流子的運(yùn)動(dòng)，改變材料的光電特性。在光電探測器中，界面電荷轉(zhuǎn)移可以促進(jìn)光生載流子的分離和傳輸，提高探測器的響應(yīng)度和探測靈敏度；然而，在某些情況下，界面電荷轉(zhuǎn)移也可能導(dǎo)致電荷積累，產(chǎn)生界面態(tài)，影響器件的穩(wěn)定性和性能。3.2光電性能調(diào)控手段3.2.1缺陷工程缺陷工程是調(diào)控二維層狀材料光電性能的一種重要策略，其中點(diǎn)缺陷和團(tuán)簇缺陷對材料光電性能有著顯著的影響。以黑磷為例，磷空位缺陷作為一種典型的點(diǎn)缺陷，在黑磷的光電性能調(diào)控中扮演著關(guān)鍵角色。研究表明，當(dāng)在黑磷中引入磷空位缺陷時(shí)，材料的光學(xué)帶隙會(huì)發(fā)生變化。通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，磷空位缺陷的存在能夠降低黑磷的帶隙，使其對可見光的吸收能力增強(qiáng)。這是因?yàn)榱卓瘴坏某霈F(xiàn)打破了黑磷原有的原子結(jié)構(gòu)和電子分布，引入了新的電子態(tài)，使得電子躍遷所需的能量降低，從而增強(qiáng)了對可見光的吸收，提高了材料的光電轉(zhuǎn)換效率。在載流子濃度和電導(dǎo)率方面，磷空位缺陷同樣產(chǎn)生重要影響。在二硫化鉬中引入硫空位缺陷可以增加材料的載流子濃度，類似地，黑磷中的磷空位缺陷也能夠改變其載流子濃度。磷空位缺陷會(huì)導(dǎo)致周圍電子云分布的改變，產(chǎn)生額外的載流子，從而提高黑磷的電導(dǎo)率。這一特性在電子學(xué)器件中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，例如可用于制備高性能的晶體管，提高器件的電學(xué)性能。團(tuán)簇缺陷對黑磷光電性能的影響也不容忽視。當(dāng)在黑磷中引入磷空位團(tuán)簇時(shí)，會(huì)增加材料的缺陷態(tài)密度。這些缺陷態(tài)可以作為載流子的捕獲中心或復(fù)合中心，影響材料的光電性能。載流子在運(yùn)動(dòng)過程中容易被磷空位團(tuán)簇捕獲，增加了載流子復(fù)合的幾率，導(dǎo)致材料的光電轉(zhuǎn)換效率降低。磷空位團(tuán)簇還會(huì)改變材料的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，使材料對特定波長的光吸收能力發(fā)生變化，進(jìn)而影響其在光電器件中的應(yīng)用。3.2.2應(yīng)力與應(yīng)變調(diào)控應(yīng)力與應(yīng)變調(diào)控是改變二維層狀材料光電性能的有效手段，其對材料的能帶結(jié)構(gòu)和載流子輸運(yùn)有著重要影響。當(dāng)對二維層狀材料施加應(yīng)力應(yīng)變時(shí)，材料的原子間鍵長和鍵角會(huì)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)的變化。以硅材料為例，研究表明，對硅施加1%的應(yīng)變，其能帶間隙可改變約10meV，類似地，在二維層狀材料中，應(yīng)變也能顯著影響能帶結(jié)構(gòu)。在過渡金屬硫族化合物（TMDs）中，如二硫化鉬（MoS_2），施加拉伸應(yīng)變會(huì)使Mo-S鍵長增加，導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，帶隙減小。這種能帶結(jié)構(gòu)的變化會(huì)直接影響材料的光電特性，在光吸收和發(fā)射過程中，帶隙的改變會(huì)導(dǎo)致吸收和發(fā)射光的波長發(fā)生變化，從而調(diào)控材料的光學(xué)性能。應(yīng)力應(yīng)變對二維層狀材料的載流子輸運(yùn)也有顯著影響。通過引入應(yīng)變，半導(dǎo)體材料的載流子遷移率會(huì)顯著提升，在二維材料中同樣如此。在應(yīng)變硅中，載流子遷移率的提高是由于應(yīng)變改變了能帶結(jié)構(gòu)，降低了載流子散射幾率。在二維層狀材料中，施加應(yīng)力應(yīng)變可以改變材料的晶體結(jié)構(gòu)對稱性，減少載流子散射中心，從而提高載流子遷移率。在石墨烯中，通過施加拉伸應(yīng)變，可以使石墨烯的載流子遷移率得到一定程度的提高，這是因?yàn)閼?yīng)變使得石墨烯的晶格結(jié)構(gòu)更加規(guī)整，減少了雜質(zhì)和缺陷對載流子的散射，有利于載流子的傳輸，進(jìn)而提高材料的電學(xué)性能，在高速電子學(xué)器件中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。3.2.3外場調(diào)控外場調(diào)控是一種靈活且有效的調(diào)控二維層狀材料光電性能的方法，其中電場和磁場等外場對材料的光電性能有著獨(dú)特的調(diào)控機(jī)制。在電場調(diào)控方面，當(dāng)對二維層狀材料施加電場時(shí)，會(huì)改變材料內(nèi)部的電荷分布和能帶結(jié)構(gòu)。以場效應(yīng)晶體管中的二維半導(dǎo)體材料為例，通過柵極施加電場，可以調(diào)控溝道中的載流子濃度和遷移率。在二維過渡金屬硫族化合物（TMDs）中，如二硫化鉬（MoS_2），施加垂直電場會(huì)導(dǎo)致能帶彎曲，改變載流子的分布和輸運(yùn)特性。這種電場調(diào)控可以實(shí)現(xiàn)對材料電學(xué)性能的有效控制，在邏輯電路和傳感器等應(yīng)用中具有重要意義。在邏輯電路中，通過電場調(diào)控可以實(shí)現(xiàn)晶體管的開關(guān)功能，控制電流的通斷；在傳感器中，利用電場對材料電學(xué)性能的影響，可以實(shí)現(xiàn)對氣體分子、生物分子等的高靈敏度檢測。磁場對二維層狀材料的光電性能也有顯著影響。在磁場作用下，二維材料中的電子會(huì)受到洛倫茲力的作用，導(dǎo)致電子的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生改變，進(jìn)而影響材料的電學(xué)和光學(xué)性能。在石墨烯中，研究發(fā)現(xiàn)磁場可以調(diào)制石墨烯的電導(dǎo)率和光學(xué)吸收特性。當(dāng)施加磁場時(shí)，石墨烯中的電子會(huì)形成朗道能級(jí)，這些能級(jí)的存在會(huì)改變電子的態(tài)密度和躍遷概率，從而影響電導(dǎo)率和光學(xué)吸收。在光學(xué)吸收方面，磁場會(huì)導(dǎo)致石墨烯的吸收光譜發(fā)生變化，出現(xiàn)新的吸收峰或吸收邊的移動(dòng)，這一特性在光電器件中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，如可用于制備磁場傳感器和光調(diào)制器等。3.3光電性能調(diào)控的應(yīng)用3.3.1太陽能電池在太陽能電池領(lǐng)域，二維層狀鈣鈦礦太陽能電池展現(xiàn)出了巨大的潛力，其光電性能調(diào)控對于提高電池效率起著關(guān)鍵作用。二維層狀鈣鈦礦材料具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和光電特性，其通式可表示為A_{2}B_{n}X_{3n+1}，其中A通常為有機(jī)陽離子，如甲胺離子（CH_{3}NH_{3}^{+}）、甲脒離子（HC(NH_{2})_{2}^{+}）等，B為金屬離子，常見的有鉛離子（Pb^{2+}）、錫離子（Sn^{2+}）等，X為鹵素離子，如碘離子（I^{-}）、溴離子（Br^{-}）、氯離子（Cl^{-}）等。這種結(jié)構(gòu)中，有機(jī)陽離子和無機(jī)骨架通過范德華力相互作用，形成了二維層狀結(jié)構(gòu)，賦予了材料良好的穩(wěn)定性和可調(diào)控性。通過缺陷工程可以有效地調(diào)控二維層狀鈣鈦礦太陽能電池的光電性能。在二維層狀鈣鈦礦中引入點(diǎn)缺陷，如鹵空位等，能夠改變材料的電子結(jié)構(gòu)，影響載流子的傳輸和復(fù)合。研究表明，適量的鹵空位可以作為電子陷阱，捕獲光生載流子，延長載流子的壽命，從而提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。通過控制鹵空位的濃度和分布，可以優(yōu)化電池的性能。當(dāng)鹵空位濃度過低時(shí)，載流子的復(fù)合速率較高，不利于光電轉(zhuǎn)換；而當(dāng)鹵空位濃度過高時(shí)，過多的陷阱會(huì)導(dǎo)致載流子的捕獲概率過大，阻礙載流子的傳輸，同樣降低電池效率。因此，精確控制鹵空位缺陷的濃度是提高二維層狀鈣鈦礦太陽能電池性能的關(guān)鍵。應(yīng)力與應(yīng)變調(diào)控也在二維層狀鈣鈦礦太陽能電池中發(fā)揮著重要作用。當(dāng)對二維層狀鈣鈦礦材料施加應(yīng)力應(yīng)變時(shí)，其原子間的鍵長和鍵角會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而影響材料的能帶結(jié)構(gòu)和載流子遷移率。研究發(fā)現(xiàn)，施加拉伸應(yīng)變可以使二維層狀鈣鈦礦的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，帶隙減小，從而增強(qiáng)對光的吸收能力。應(yīng)變還能提高載流子遷移率，減少載流子的散射，有利于載流子的傳輸，提高電池的短路電流密度，從而提升電池的光電轉(zhuǎn)換效率。在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過與襯底材料的晶格匹配、熱膨脹系數(shù)差異等方式引入應(yīng)變，實(shí)現(xiàn)對二維層狀鈣鈦礦太陽能電池性能的調(diào)控。外場調(diào)控也是提高二維層狀鈣鈦礦太陽能電池性能的有效手段。通過施加電場，可以改變二維層狀鈣鈦礦材料的電荷分布和能帶結(jié)構(gòu)，從而調(diào)控載流子的傳輸和復(fù)合過程。在太陽能電池中，通過在電極上施加正向偏壓，可以促進(jìn)光生載流子的分離和傳輸，減少載流子的復(fù)合，提高電池的開路電壓和填充因子，進(jìn)而提高光電轉(zhuǎn)換效率。磁場也能對二維層狀鈣鈦礦太陽能電池的性能產(chǎn)生影響。在磁場作用下，光生載流子的運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)發(fā)生改變，減少載流子的復(fù)合，提高電池的性能。研究表明，在一定強(qiáng)度的磁場下，二維層狀鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率可以得到顯著提升。3.3.2光通信器件在光通信器件領(lǐng)域，二維層狀材料的光電性能調(diào)控在光調(diào)制器和光探測器等器件中展現(xiàn)出了重要的應(yīng)用價(jià)值。在光調(diào)制器方面，基于二維層狀材料的光調(diào)制器具有響應(yīng)速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，其性能調(diào)控主要依賴于材料的光電特性改變。以石墨烯為例，石墨烯具有優(yōu)異的電學(xué)性能和高載流子遷移率，通過電場調(diào)控可以實(shí)現(xiàn)對其光電導(dǎo)率的有效控制。在光調(diào)制器中，利用電場改變石墨烯的光電導(dǎo)率，從而調(diào)控光的傳輸特性，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的調(diào)制。當(dāng)施加電場時(shí)，石墨烯中的載流子濃度和分布發(fā)生變化，導(dǎo)致其對光的吸收和發(fā)射特性改變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對光信號(hào)的強(qiáng)度、相位等參數(shù)的調(diào)制。這種基于電場調(diào)控的石墨烯光調(diào)制器具有高速響應(yīng)的特性，能夠滿足光通信中對高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，可?yīng)用于高速光通信網(wǎng)絡(luò)中的信號(hào)調(diào)制和處理。二維層狀材料在光探測器中的應(yīng)用也依賴于其光電性能的調(diào)控。過渡金屬硫族化合物（TMDs），如二硫化鉬（MoS_2）、二硒化鎢（WSe_2）等，具有較高的光吸收系數(shù)和載流子遷移率，通過缺陷工程和應(yīng)變調(diào)控等手段，可以進(jìn)一步優(yōu)化其光電性能，提高光探測器的性能。通過在MoS_2中引入點(diǎn)缺陷，如硫空位等，可以增加光生載流子的濃度，提高探測器的響應(yīng)度。研究表明，適量的硫空位能夠在MoS_2中引入額外的電子態(tài)，增強(qiáng)對光的吸收能力，從而提高光生載流子的產(chǎn)生效率，進(jìn)而提升探測器的響應(yīng)度。應(yīng)變調(diào)控也能顯著影響MoS_2的光電性能。施加拉伸應(yīng)變可以改變MoS_2的能帶結(jié)構(gòu)，使其帶隙減小，增強(qiáng)對長波長光的吸收能力，拓寬光探測器的響應(yīng)光譜范圍，提高對不同波長光信號(hào)的探測能力，在光通信中可實(shí)現(xiàn)對多種波長光信號(hào)的高效探測。四、實(shí)驗(yàn)與研究方法4.1材料制備4.1.1機(jī)械剝離法機(jī)械剝離法是制備二維層狀材料的一種常用且基礎(chǔ)的方法，其原理基于二維層狀材料層間較弱的范德華力。在層狀材料中，原子在二維平面內(nèi)通過強(qiáng)共價(jià)鍵緊密結(jié)合，形成穩(wěn)定的層狀結(jié)構(gòu)，而層與層之間依靠范德華力相互作用，這種較弱的相互作用使得通過外部機(jī)械力可以將層狀材料逐層層剝離。以石墨烯的制備為例，該方法的具體步驟通常如下：首先，選取高定向熱解石墨（HOPG）作為原材料，HOPG具有高度有序的層狀結(jié)構(gòu)，是制備高質(zhì)量石墨烯的理想材料。將HOPG固定在平整的基底上，如玻璃片或硅片。然后，使用具有粘性的膠帶，如透明膠帶，反復(fù)粘貼在HOPG表面，通過膠帶的粘性力施加剝離力。在每次粘貼和剝離的過程中，膠帶會(huì)將HOPG表面的幾層石墨片粘附下來，隨著操作的進(jìn)行，這些石墨片逐漸被減薄。通過多次重復(fù)這一過程，可以得到包含單層或少數(shù)幾層石墨烯的薄片。為了獲得更薄且質(zhì)量較高的石墨烯，需要對剝離后的薄片進(jìn)行篩選。通常使用光學(xué)顯微鏡或原子力顯微鏡（AFM）對薄片進(jìn)行觀察和表征，AFM不僅可以測量薄片的厚度，還能觀察其表面形貌，從而確定石墨烯的層數(shù)和質(zhì)量，篩選出符合要求的單層或少層石墨烯用于后續(xù)研究。4.1.2化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法（CVD）是一種廣泛應(yīng)用于制備二維層狀材料的技術(shù)，其工藝過程涉及氣態(tài)前驅(qū)體在襯底表面的化學(xué)反應(yīng)和沉積。以制備二維過渡金屬硫族化合物（TMDs），如二硫化鉬（MoS_2）為例，典型的工藝過程如下：首先，選擇合適的襯底，常見的有硅片、藍(lán)寶石等，襯底的表面性質(zhì)和晶格結(jié)構(gòu)會(huì)影響二維材料的生長質(zhì)量和取向。將襯底放入高溫反應(yīng)爐中，通常需要將反應(yīng)爐抽至低真空狀態(tài)，以減少雜質(zhì)氣體的干擾。然后，通入氣態(tài)前驅(qū)體，對于MoS_2的制備，常用的前驅(qū)體為鉬源（如六羰基鉬Mo(CO)_6）和硫源（如硫化氫H_2S）。在高溫條件下，一般反應(yīng)溫度在800-1000℃，氣態(tài)前驅(qū)體在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。Mo(CO)_6受熱分解，釋放出鉬原子，H_2S也發(fā)生分解，產(chǎn)生硫原子，鉬原子和硫原子在襯底表面結(jié)合，逐漸沉積并反應(yīng)生成MoS_2。通過精確控制反應(yīng)溫度、前驅(qū)體流量、反應(yīng)時(shí)間等參數(shù)，可以調(diào)控MoS_2的生長層數(shù)、質(zhì)量和均勻性。這種方法具有諸多特點(diǎn)。CVD法可以實(shí)現(xiàn)大面積的二維材料生長，能夠滿足工業(yè)化生產(chǎn)對材料尺寸的需求。通過精確控制反應(yīng)參數(shù)，如前驅(qū)體的種類和比例、反應(yīng)溫度和時(shí)間等，可以實(shí)現(xiàn)對二維材料成分和結(jié)構(gòu)的精確控制，制備出高質(zhì)量、缺陷少的二維層狀材料。然而，CVD法也存在一些缺點(diǎn)，該方法需要昂貴的設(shè)備，如高溫反應(yīng)爐、真空系統(tǒng)等，并且工藝控制較為嚴(yán)格，對操作人員的技術(shù)要求較高。在生長過程中，可能會(huì)引入雜質(zhì)，影響材料的性能，后續(xù)需要進(jìn)行復(fù)雜的清洗和純化步驟。4.1.3其他制備方法分子束外延（MBE）是一種能夠?qū)崿F(xiàn)原子級(jí)精度的二維材料制備方法。在超高真空環(huán)境下，通常真空度達(dá)到10^{-10}-10^{-11}Pa，將金屬原子或分子束蒸發(fā)并定向傳輸?shù)郊訜岬囊r底表面。這些原子或分子在襯底表面逐層沉積，通過精確控制原子的沉積速率和襯底溫度等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對二維材料生長層數(shù)和原子排列的精確控制，從而制備出具有高純度和高晶體質(zhì)量的二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)。MBE法常用于制備高質(zhì)量的二維半導(dǎo)體材料，如六方氮化硼（h-BN）、過渡金屬硫族化合物等，但其生長速率較低，設(shè)備昂貴，產(chǎn)量有限，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。液相剝離法是利用液體介質(zhì)將層狀材料剝離成單層或多層薄片的方法。將塊狀層狀材料分散在合適的溶劑中，如N-甲基吡咯烷酮（NMP）、二甲亞砜（DMSO）等，通過超聲、攪拌或離心等機(jī)械力作用，使層狀材料在液體介質(zhì)中發(fā)生剝離。在超聲作用下，超聲波的能量使溶劑分子產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，對層狀材料施加剪切力，克服層間的范德華力，從而實(shí)現(xiàn)層狀材料的剝離。液相剝離法可以制備大面積的二維材料，且工藝相對簡單，成本較低，適合大規(guī)模制備。由于剝離過程中可能會(huì)引入溶劑殘留或?qū)е戮w缺陷，需要對制備的二維材料進(jìn)行后續(xù)的清洗和純化處理，以提高材料質(zhì)量。4.2性能表征技術(shù)4.2.1光學(xué)表征技術(shù)光致發(fā)光光譜是研究二維層狀材料光學(xué)性質(zhì)的重要手段之一，其原理基于材料在光激發(fā)下的發(fā)光特性。當(dāng)二維層狀材料受到特定波長的光照射時(shí)，材料中的電子會(huì)吸收光子的能量，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的電子是不穩(wěn)定的，會(huì)通過輻射復(fù)合的方式回到基態(tài)，同時(shí)發(fā)射出光子，這些發(fā)射出的光子形成了光致發(fā)光光譜。以過渡金屬硫族化合物（TMDs）中的二硫化鉬（MoS_2）為例，在光致發(fā)光實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)用波長為532nm的激光激發(fā)單層MoS_2時(shí)，由于其具有直接帶隙，電子從導(dǎo)帶躍遷回價(jià)帶與空穴復(fù)合，會(huì)發(fā)射出特定波長的光，在光致發(fā)光光譜中表現(xiàn)為位于約670nm處的特征峰，這一特征峰的位置和強(qiáng)度與MoS_2的能帶結(jié)構(gòu)、晶體質(zhì)量以及缺陷狀態(tài)等因素密切相關(guān)。通過分析光致發(fā)光光譜中特征峰的位置、強(qiáng)度、半高寬等參數(shù)，可以獲取材料的帶隙信息、缺陷濃度、載流子復(fù)合機(jī)制等重要信息，從而深入了解材料的光學(xué)性質(zhì)。拉曼光譜也是一種常用的光學(xué)表征技術(shù)，其原理基于光的非彈性散射。當(dāng)一束單色光照射到二維層狀材料上時(shí)，大部分光子會(huì)發(fā)生彈性散射，即散射光的頻率與入射光相同，這被稱為瑞利散射；但有一小部分光子會(huì)與材料中的分子或原子發(fā)生非彈性散射，散射光的頻率會(huì)發(fā)生改變，這種頻率的變化與材料中分子或原子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)有關(guān)，這就是拉曼散射。以石墨烯為例，其拉曼光譜主要包含D峰、G峰和2D峰。D峰出現(xiàn)在約1350cm^{-1}處，通常與石墨烯中的缺陷或邊緣有關(guān)，缺陷的存在會(huì)破壞石墨烯的晶格對稱性，導(dǎo)致D峰的出現(xiàn)，D峰的強(qiáng)度可以反映石墨烯中缺陷的濃度；G峰位于約1580cm^{-1}處，是石墨烯的特征峰，代表了石墨烯中碳原子的面內(nèi)振動(dòng)，其強(qiáng)度和位置可以反映石墨烯的層數(shù)、質(zhì)量以及應(yīng)力狀態(tài)等信息；2D峰出現(xiàn)在約2700cm^{-1}處，是雙聲子共振拉曼散射峰，其峰形和強(qiáng)度對石墨烯的層數(shù)非常敏感，通過分析2D峰的峰形和強(qiáng)度，可以準(zhǔn)確判斷石墨烯的層數(shù)。對于其他二維層狀材料，如二硫化鉬（MoS_2），其拉曼光譜中也存在特征峰，E^{1}_{2g}峰和A_{1g}峰分別位于約380cm^{-1}和405cm^{-1}處，這兩個(gè)峰的強(qiáng)度比和位置變化可以用于表征MoS_2的層數(shù)、晶體質(zhì)量以及與襯底之間的相互作用等。4.2.2電學(xué)表征技術(shù)場效應(yīng)晶體管（FET）測試是研究二維層狀材料電學(xué)性能的常用方法之一，其原理基于材料在電場作用下的電學(xué)響應(yīng)。在典型的場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)中，二維層狀材料作為溝道，源極和漏極分別位于溝道的兩端，通過柵極施加電場來調(diào)控溝道中的載流子濃度和遷移率。以石墨烯場效應(yīng)晶體管為例，當(dāng)在柵極上施加電壓時(shí)，會(huì)在石墨烯溝道中產(chǎn)生電場，從而改變溝道中的載流子濃度。由于石墨烯是零帶隙的材料，在柵極電壓為零時(shí)，溝道中存在一定的載流子濃度，表現(xiàn)出較高的電導(dǎo)率。隨著柵極電壓的變化，溝道中的載流子濃度會(huì)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致源漏電流的變化。通過測量源漏電流與柵極電壓之間的關(guān)系（即轉(zhuǎn)移特性曲線），可以獲取材料的載流子遷移率、閾值電壓、開關(guān)比等重要電學(xué)參數(shù)。載流子遷移率是衡量材料電學(xué)性能的關(guān)鍵參數(shù)之一，它反映了載流子在材料中移動(dòng)的難易程度，通過轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率可以計(jì)算出載流子遷移率；閾值電壓則表示使溝道導(dǎo)通所需的最小柵極電壓；開關(guān)比是指晶體管在導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)下源漏電流的比值，反映了晶體管的開關(guān)性能?；魻栃?yīng)測量也是一種重要的電學(xué)表征方法，其原理基于載流子在磁場中的受力和運(yùn)動(dòng)特性。當(dāng)電流通過二維層狀材料時(shí)，在垂直于電流方向施加磁場，材料中的載流子會(huì)受到洛倫茲力的作用，從而在垂直于電流和磁場方向上產(chǎn)生電勢差，這就是霍爾電壓。通過測量霍爾電壓和電流、磁場等參數(shù)，可以計(jì)算出材料的霍爾系數(shù)、載流子濃度和遷移率等電學(xué)參數(shù)。對于二維層狀材料，如二硫化鉬（MoS_2），霍爾效應(yīng)測量可以提供關(guān)于其載流子類型（電子或空穴）、濃度以及遷移率的信息。在MoS_2中，通過霍爾效應(yīng)測量發(fā)現(xiàn)，其載流子遷移率受到材料的晶體質(zhì)量、缺陷濃度以及與襯底的相互作用等因素的影響。當(dāng)MoS_2晶體中存在較多缺陷時(shí)，載流子散射增強(qiáng)，遷移率降低；而與高質(zhì)量襯底結(jié)合時(shí)，由于界面相互作用的改善，載流子遷移率可能會(huì)提高。4.2.3結(jié)構(gòu)表征技術(shù)掃描電子顯微鏡（SEM）是一種用于觀察二維層狀材料表面形貌和結(jié)構(gòu)的重要工具，其工作原理基于電子與物質(zhì)的相互作用。在SEM中，電子槍發(fā)射出的高能電子束聚焦在樣品表面，電子與樣品表面的原子相互作用，產(chǎn)生多種信號(hào)，其中二次電子信號(hào)用于成像。二次電子是由樣品表面被入射電子激發(fā)出來的低能電子，其產(chǎn)額與樣品表面的形貌密切相關(guān)。當(dāng)電子束掃描樣品表面時(shí)，不同位置的二次電子發(fā)射情況不同，通過收集和檢測二次電子，可以得到樣品表面的形貌圖像。以石墨烯薄膜為例，SEM圖像可以清晰地展示石墨烯的二維平面結(jié)構(gòu)、邊緣形態(tài)以及薄膜的均勻性。在SEM圖像中，可以觀察到石墨烯薄膜呈現(xiàn)出連續(xù)的片狀結(jié)構(gòu)，邊緣可能存在褶皺或卷曲，這些微觀結(jié)構(gòu)特征對于理解石墨烯的性能和應(yīng)用具有重要意義。SEM還可以通過能量色散X射線光譜（EDS）技術(shù)對樣品的元素組成進(jìn)行分析，確定二維層狀材料中是否存在雜質(zhì)元素以及其含量和分布情況。透射電子顯微鏡（TEM）能夠提供二維層狀材料的原子級(jí)結(jié)構(gòu)信息，其原理基于電子束透過樣品時(shí)的散射和衍射現(xiàn)象。當(dāng)高能電子束透過二維層狀材料時(shí)，由于材料中原子的散射作用，電子的傳播方向會(huì)發(fā)生改變，通過對透過樣品的電子進(jìn)行成像和分析，可以獲得材料的原子結(jié)構(gòu)、晶體缺陷、晶格間距等信息。以二硫化鉬（MoS_2）為例，高分辨率TEM圖像可以清晰地顯示MoS_2的原子排列，觀察到硫原子和鉬原子在二維平面內(nèi)的排列方式以及層與層之間的相對位置關(guān)系。TEM還可以通過選區(qū)電子衍射（SAED）技術(shù)對MoS_2的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，SAED圖案中的衍射斑點(diǎn)對應(yīng)著晶體的不同晶面，通過分析衍射斑點(diǎn)的位置和強(qiáng)度，可以確定MoS_2的晶體結(jié)構(gòu)類型、晶格參數(shù)以及晶體的取向等信息。TEM對于研究二維層狀材料中的缺陷，如點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷等，也具有重要作用，通過觀察缺陷周圍的晶格畸變和電子衍射變化，可以深入了解缺陷的性質(zhì)和對材料性能的影響。4.3理論計(jì)算方法4.3.1第一性原理計(jì)算第一性原理計(jì)算在研究二維層狀材料性能中發(fā)揮著不可或缺的作用，其核心基于量子力學(xué)原理，采用密度泛函理論（DFT）進(jìn)行計(jì)算。在二維材料的研究范疇內(nèi)，第一性原理計(jì)算能夠精準(zhǔn)地預(yù)測材料的多種關(guān)鍵性質(zhì)。以二維過渡金屬硫族化合物（TMDs）為例，通過第一性原理計(jì)算，可以深入剖析其原子結(jié)構(gòu)與電子態(tài)之間的內(nèi)在聯(lián)系。在二硫化鉬（MoS_2）中，計(jì)算能夠揭示鉬原子與硫原子之間的電子云分布情況，以及這種分布如何決定材料的電子結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，MoS_2中鉬原子的d軌道與硫原子的p軌道相互作用，形成了獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)對MoS_2的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)起著決定性作用。第一性原理計(jì)算在探究二維層狀材料的電學(xué)性質(zhì)方面成果顯著。它能夠計(jì)算出材料的能帶結(jié)構(gòu)，從而確定材料是導(dǎo)體、半導(dǎo)體還是絕緣體。在石墨烯的研究中，第一性原理計(jì)算揭示了其零帶隙的特性，以及狄拉克錐能帶結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制。這種獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)使得石墨烯中的電子具有線性色散關(guān)系，表現(xiàn)出極高的載流子遷移率，為石墨烯在高速電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。對于具有帶隙的二維材料，如二硫化鉬，第一性原理計(jì)算可以精確預(yù)測其帶隙大小，以及帶隙隨層數(shù)、應(yīng)變等因素的變化規(guī)律。通過計(jì)算不同層數(shù)MoS_2的能帶結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)隨著層數(shù)的增加，MoS_2的帶隙從直接帶隙逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殚g接帶隙，這一理論預(yù)測與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度吻合，為MoS_2在半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用提供了重要的理論指導(dǎo)。4.3.2分子動(dòng)力學(xué)模擬分子動(dòng)力學(xué)模擬是一種用于研究材料結(jié)構(gòu)和性能的重要方法，它通過模擬原子或分子的運(yùn)動(dòng)軌跡，來分析材料在不同條件下的行為。在二維層狀材料的研究中，分子動(dòng)力學(xué)模擬能夠深入揭示材料的結(jié)構(gòu)和性能變化機(jī)制。以石墨烯為例，在研究其熱穩(wěn)定性時(shí)，分子動(dòng)力學(xué)模擬通過賦予原子初始速度，讓原子在模擬的溫度和壓力環(huán)境下運(yùn)動(dòng)。在高溫模擬過程中，觀察到石墨烯中的碳原子會(huì)發(fā)生振動(dòng)和位移，當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，部分碳原子之間的鍵會(huì)發(fā)生斷裂，導(dǎo)致石墨烯的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降。通過分析原子的運(yùn)動(dòng)軌跡和鍵的變化情況，可以準(zhǔn)確確定石墨烯的熱穩(wěn)定性極限溫度，以及在高溫下結(jié)構(gòu)變化的具體過程，為石墨烯在高溫環(huán)境下的應(yīng)用提供重要的參考依據(jù)。分子動(dòng)力學(xué)模擬在研究二維層狀材料的力學(xué)性能方面也具有重要作用。當(dāng)對二維層狀材料施加拉伸應(yīng)力時(shí)，模擬可以清晰地展示原子間鍵的拉伸和斷裂過程。在對二硫化鉬（MoS_2）進(jìn)行拉伸模擬時(shí)，隨著拉伸應(yīng)變的增加，Mo-S鍵逐漸被拉長，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到一定程度時(shí)，Mo-S鍵開始斷裂，導(dǎo)致材料的力學(xué)性能下降。通過分析鍵的斷裂位置和順序，可以深入了解材料的力學(xué)失效機(jī)制，為優(yōu)化二維層狀材料的力學(xué)性能提供理論指導(dǎo)。在設(shè)計(jì)基于MoS_2的柔性電子器件時(shí)，可以根據(jù)分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果，選擇合適的材料結(jié)構(gòu)和工藝，以提高器件在彎曲和拉伸條件下的力學(xué)穩(wěn)定性。五、案例分析與結(jié)果討論5.1具體案例研究5.1.1二維Bi?O?Se的光電特性調(diào)控二維Bi?O?Se具有獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)，室溫下形成四方結(jié)構(gòu)，空間群對稱性為14/mmm（a＝b＝3.88?，ｃ＝12.16?）。其結(jié)構(gòu)中，八個(gè)Bi原子位于立方體的頂點(diǎn)，[Bi?O?]^{2n+}_n陽離子層和[Se]^{2n-}_n陰離子層通過弱靜電相互作用沿ｃ軸交替堆疊，層厚為0.61nm。這種結(jié)構(gòu)使其區(qū)別于常見的范德瓦爾斯層狀材料，屬于離子層狀材料，但仍展現(xiàn)出典型二維材料的特性，如帶隙和光吸收隨層數(shù)變化而改變。有研究認(rèn)為Bi?O?Se是一種拉鏈二維材料，并提出“拉鏈模型”，單層Bi?O?Se結(jié)構(gòu)為Se_{0.5}-Bi?O?-Se_{0.5}，頂部和底部均為Se原子，多層結(jié)構(gòu)通過多個(gè)單層堆疊而成，Se層由下一層上表面50%Se和上一層下表面50%Se接合而成，類似拉鏈，且實(shí)驗(yàn)中觀察到薄片中的拉鏈狀結(jié)構(gòu)，其層間作用力大于MoS?、黑磷等材料的范德瓦爾斯力，賦予其優(yōu)越的環(huán)境穩(wěn)定性。從能帶結(jié)構(gòu)來看，Bi?O?Se具有中等且可調(diào)諧的帶隙。通過角分辨光電子能譜（ARPES）測量，其導(dǎo)帶和價(jià)帶之間存在間接帶隙，數(shù)值為0.8±0.05eV。利用第一性原理計(jì)算可知，體單晶表現(xiàn)出0.85eV的間接帶隙，導(dǎo)帶底由O原子的2ｐ軌道和Bi原子的6ｐ軌道共同貢獻(xiàn)，價(jià)帶頂主要來源于O原子的2ｐ軌道和Se原子的ｐ軌道。適當(dāng)應(yīng)變可使Bi?O?Se從間接帶隙半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋栋雽?dǎo)體，且由于量子限制效應(yīng)，從單層到體材料，其電子帶隙（1.3-0.8eV）、電子有效質(zhì)量（0.20-0.14m?）和光學(xué)帶隙（2.0-1.5eV）與層數(shù)相關(guān)，厚度大于八層（～5nm）的晶體，電子能帶結(jié)構(gòu)與體相接近。在光電特性方面，二維Bi?O?Se材料具有高電子遷移率，在1.9K下，電子遷移率約為28900cm2·V?1·S?1，室溫下最大為450cm2·V?1·S?1。對Bi?O?Se納米片進(jìn)行霍爾效應(yīng)測量，發(fā)現(xiàn)室溫下樣品的霍爾遷移率表現(xiàn)出明顯的厚度依賴性，較厚樣品的遷移率保持在200cm2·V?1·S?1左右，小于6.2nm的樣品遷移率會(huì)突然下降，這歸因于嚴(yán)重的界面/表面散射。電子遷移率與載流子濃度成反比，基于Bi?O?Se的柔性裝置彎曲500次后光響應(yīng)仍保持高度穩(wěn)定，這些特性使其在超快、柔性光電器件等領(lǐng)域前景廣闊，良好的室溫電子遷移率也使其大尺寸晶體可作為新型光伏材料。對于Bi?O?Se的光電特性調(diào)控，可通過多種方式實(shí)現(xiàn)。在應(yīng)變調(diào)控方面，施加適當(dāng)應(yīng)變能改變其能帶結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)間接帶隙到直接帶隙的轉(zhuǎn)變，從而影響光吸收和發(fā)射特性，以及載流子的輸運(yùn)過程，有望應(yīng)用于對帶隙類型有特定要求的光電器件中。通過控制薄膜厚度，利用量子限制效應(yīng)，可調(diào)節(jié)其帶隙和電子有效質(zhì)量，制備不同帶隙的Bi?O?Se材料，滿足光探測器、發(fā)光二極管等不同光電器件對材料帶隙的需求。調(diào)整表面缺陷和內(nèi)部點(diǎn)缺陷也能調(diào)控其光電特性，缺陷的存在會(huì)改變材料的電子結(jié)構(gòu)和載流子的散射情況，進(jìn)而影響遷移率和光吸收等特性。例如，適量的缺陷可能引入額外的載流子，提高電導(dǎo)率，但過多缺陷可能增加載流子散射，降低遷移率，通過精確控制缺陷濃度和類型，可優(yōu)化材料性能。5.1.2層狀金屬鹵化物SbI?的光電性能增強(qiáng)層狀金屬鹵化物SbI?在光電性能方面具有獨(dú)特的性質(zhì)，其光電性能與晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。SbI?是一種層狀材料，在常壓下具有特定的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)決定了其初始的光電性能。從晶體結(jié)構(gòu)角度來看，SbI?的原子排列方式和化學(xué)鍵特性對其光電性能有著重要影響。在常壓下，SbI?具有一定的帶隙，其帶隙大小適宜，這使得它在光電探測和光電器件應(yīng)用中具有潛在價(jià)值。其載流子遷移率也具有一定的數(shù)值，這對于光生載流子的傳輸和光電轉(zhuǎn)換效率有著關(guān)鍵作用。壓力誘導(dǎo)SbI?分子-離子晶體轉(zhuǎn)變對其光電性能產(chǎn)生了顯著影響。研究表明，隨著壓力的增加，SbI?的光電流響應(yīng)顯著增強(qiáng)。在4.4GPa時(shí)，光電流達(dá)到最大值100mA/W，是初始?jí)毫r(shí)光電流值（8mA/W）的十倍以上，同時(shí)保持超低暗電流。這種光電流響應(yīng)的大幅提升與分子-離子等結(jié)構(gòu)相變及其伴隨的配位數(shù)增加和電荷離域化密切相關(guān)。在壓力作用下，SbI?的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，金屬和碘原子之間的成鍵屬性改變，配位數(shù)增加，電荷離域化程度提高，這些變化有利于光生載流子的產(chǎn)生、傳輸和分離，從而增強(qiáng)了光電性能。當(dāng)壓力超過4.4GPa時(shí)，壓力誘導(dǎo)R-3到P2_1/c結(jié)構(gòu)相變以及配位數(shù)的減少，導(dǎo)致SbI?光電活性急劇衰減。這表明壓力誘導(dǎo)的晶體結(jié)構(gòu)變化對SbI?光電性能的影響具有階段性，在特定壓力范圍內(nèi)，晶體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化能夠顯著提升光電性能，但超出這個(gè)范圍，結(jié)構(gòu)的不利變化會(huì)導(dǎo)致光電性能下降。通過壓力誘導(dǎo)SbI?分子-離子晶體轉(zhuǎn)變來增強(qiáng)光電性能的研究，為層狀金屬鹵化物在光電領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的思路。這種通過外部壓力調(diào)控材料晶體結(jié)構(gòu)和光電性能的方法，有助于開發(fā)新型的光電材料和器件，在光電探測、太陽能電池、光通信等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。通過精確控制壓力條件，可以制備出具有特定光電性能的SbI?材料，滿足不同應(yīng)用場景對材料性能的需求。5.2結(jié)果與討論5.2.1性能調(diào)控效果分析不同調(diào)控方法對二維層狀材料的性能調(diào)控效果存在顯著差異。在光學(xué)性能方面，以化學(xué)摻雜調(diào)控NbO(I_{0.60}Br_{0.40})_2為例，通過Br^-離子替換I^-離子，成功實(shí)現(xiàn)了對其非線性光學(xué)特性的有效調(diào)控。這種陰離子摻雜方式與物理壓力對晶格的作用類似，通過調(diào)控二維材料的Peierls畸變，實(shí)現(xiàn)了對二次諧波響應(yīng)的調(diào)制，其中NbO(I_{0.60}Br_{0.40})_2化合物表現(xiàn)出最高的Peierls畸變和最強(qiáng)的二次諧波響應(yīng)。而結(jié)構(gòu)畸變調(diào)控，如對NbOI_2施加壓力，在2.5GPa的壓力下，其二次諧波響應(yīng)強(qiáng)度提升了2倍，這是由于壓力作用使得Nb原子的偏心程度進(jìn)一步加劇，提高了晶體的二階非線性磁化率。層間耦合調(diào)控則通過改變二維層狀材料的層間相互作用方式，影響激子的性質(zhì)和光學(xué)行為。在扭曲雙層MoS_2中，扭轉(zhuǎn)角度的變化會(huì)引起激子性質(zhì)的周期性調(diào)制，以及材料的能量狀態(tài)和相互作用的顯著變化，導(dǎo)致出現(xiàn)復(fù)雜的電場分布和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而改變光吸收、光發(fā)射等特性。在光電性能方面，缺陷工程對二維層狀材料的載流子濃度和電導(dǎo)率有著重要影響。在黑磷中引入磷空位缺陷，能夠降低材料的帶隙，增強(qiáng)對可見光的吸收能力，同時(shí)改變載流子濃度，提高電導(dǎo)率。應(yīng)力與應(yīng)變調(diào)控則通過改變材料的原子間鍵長和鍵角，影響能帶結(jié)構(gòu)和載流子輸運(yùn)。對硅材料施加1%的應(yīng)變，其能帶間隙可改變約10meV，在二維層狀材料中同樣如此，如對二硫化鉬施加拉伸應(yīng)變，會(huì)使Mo-S鍵長增加，導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)變化，帶隙減小，載流子遷移率提高。外場調(diào)控中，電場和磁場能夠改變二維層狀材料的電荷分布和電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而調(diào)控其光電性能。在電場調(diào)控下，二維半導(dǎo)體材料的載流子濃度和遷移率可通過柵極電壓進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對器件電學(xué)性能的有效控制；磁場作用下，石墨烯的電導(dǎo)率和光學(xué)吸收特性會(huì)發(fā)生調(diào)制，出現(xiàn)新的吸收峰或吸收邊的移動(dòng)。5.2.2影響因素的交互作用多種影響因素之間存在復(fù)雜的交互作用，共同對二維層狀材料的性能調(diào)控產(chǎn)生影響。在光學(xué)性能調(diào)控中，原子結(jié)構(gòu)與電子態(tài)、能帶結(jié)構(gòu)以及各種調(diào)控方法之間相互關(guān)聯(lián)。原子結(jié)構(gòu)決定了電子態(tài)的分布，進(jìn)而影響能帶結(jié)構(gòu)，而化學(xué)摻雜、結(jié)構(gòu)畸變調(diào)控等方法又會(huì)改變原子結(jié)構(gòu)和電子態(tài)，從而對能帶結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能產(chǎn)生影響。在NbO(I_{0.60}Br_{0.40})_2中，化學(xué)摻雜改變了原子的組成和排列，進(jìn)而影響了Peierls畸變，導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)和二次諧波響應(yīng)發(fā)生變化。結(jié)構(gòu)畸變調(diào)控通過改變原子間的鍵長和鍵角，同樣會(huì)影響電子態(tài)和能帶結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響光學(xué)性能。在光電性能調(diào)控中，載流子遷移率、界面特性與調(diào)控手段之間也存在交互作用。載流子遷移率受到材料的原子結(jié)構(gòu)、晶體質(zhì)量以及界面特性等因素的影響，而缺陷工程、應(yīng)力與應(yīng)變調(diào)控、外場調(diào)控等手段會(huì)改變這些因素，從而影響載流子遷移率。在二硫化鉬中，缺陷的存在會(huì)增加載流子散射，降低遷移率，而應(yīng)力與應(yīng)變調(diào)控可以改變晶體結(jié)構(gòu)對稱性，減少散射中心，提高遷移率。界面特性，如界面質(zhì)量和電荷轉(zhuǎn)移，會(huì)影響載流子的傳輸，而外場調(diào)控可以改變界面電荷分布，進(jìn)而影響載流子的輸運(yùn)和器件的光電性能。5.2.3應(yīng)用前景與挑戰(zhàn)二維層狀材料在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。在光電器件領(lǐng)域，基于二維層狀材料的光電探測器、發(fā)光二極管、激光器等器件具有高性能、小型化、低功耗等優(yōu)勢，有望推動(dòng)光通信、光顯示、光存儲(chǔ)等技術(shù)的發(fā)展。在光電探測器中，通過性能調(diào)控可以提高探測器的響應(yīng)度和探測靈敏度，實(shí)現(xiàn)對微弱光