奥地利成功研制出二维晶体PN结二极管 为光电子变革奠基

电子设备中使用的半导体通常是利用三维晶体研制的晶体硅制成的。这些晶体不仅弹性低、重量大，而且制造成本高。此外，其它的方法，如有机半导体和薄膜技术会使材料的质量和耐久性都较差。近日，奥地利维也纳大学光子学研究所的一组研究人员利用晶体材料成功研制出了一种特殊类型的二极管，该材料只有几个原子层厚。这种超薄晶体的性能为太阳能电池、光电二极管和发光二极管开创了以前无法想象的可能性。此项工作已在3月份的《自然纳米技术》中发表，为二维光电子技术的显著进展铺平道路。

二维光子晶体——晶体材料只有一个或几个原子厚——提供了更好的成功几率。它们可以经济灵活地实现大规模生产，并可展现出晶体材料的所有优点。奥地利团队成功地利用这种二维晶体研制出第一个PN结二极管，从而为光电子变革奠定了基础。

Thomas Mueller教授领导的团队使用的原材料是钨硒（WSe2），这种材料具有比石墨烯更优异的特性，是目前知名的二维材料。Mueller解释说，“钨硒存在带隙，电子需要一定的能量跨越到导带上。石墨烯无法轻易提供许多电子元件的这个基本要求。”团队为开展进一步的工作，首先要从三维晶体中机械“剥离”出厚度只有0.7纳米、二维结构的钨硒。“我们随后使用复杂的程序检测是否已成功得到二维晶体，因为只有这样薄的材料才能展现所要求的特性，”Mueller指出。光谱分析、光学对比度测量和原子力显微镜证实该研究达到了预期效果。然后将单层钨硒放置在两个电机之间测量其电特性。这样证实PN结二极管的功能：有可能注入正负电荷，电流只在一个方向上流动。

“单层钨硒晶体形式在理论上是PN结二极管的一个理想起始材料，但此前从未得到证实，我们现在做到了。我们测定了光电转化的效率为0.5％，”Mueller补充道，世界上首次证实了二维晶体材料的光电特性。95％的高透明性意味着该材料可同时用于窗户玻璃和太阳能电池。还可将几层这种超薄材料堆叠在一起将效率提高10％。该材料用作光电二极管的功能已被证实，其灵敏度高于石墨烯。该性能可通过电光转换被进一步增强。