編輯總結
低維材料中的體光伏效應利用內建極化來產生光激發載流子，而無需結的存在。然而，輸出的光電流較低，目前正在努力擴大這一效應。本研究介紹了一種用于鎢二硫化物納米帶陣列的外延生長方法，該方法具有預定義的手性和一致的極性。在制造具有確定結構的帶狀陣列方面的靈活性，使得系統研究依賴手性的體光伏效應以及光伏器件陣列的實現成為可能。作者的策略提供了一種按需定制和大規模集成一維材料的多功能方法，這應當能夠推動自驅動片上電子和光電子設備的發展。
研究背景
隨著全球向可持續能源實踐的過渡，高效且多功能的光伏技術引起了廣泛關注。體光伏效應（BPVE）作為一種在無反中心對稱材料中發生的二階非線性現象，能夠直接將太陽能轉換為電流，提供了一種有前景的解決方案。與傳統的p-n結光伏技術相比，BPVE有望繞過傳統太陽能電池中固有的Shockley-Queisser極限，從而實現更高的能量轉換效率。然而，盡管BPVE在理論上具有巨大潛力，但實際應用中仍存在諸多問題。首先，BPVE在一維過渡金屬二硫族化合物（TMDs）中的應用由于其低內對稱結構和在可見光譜中的強吸收，顯示出特殊的優勢，但要實現大規模的高效光電流輸出仍然面臨挑戰。具體而言，為了通過大規模一維結構的互連進一步擴大基于TMD的BPVE電流，需要滿足幾個并行的標準：在具有特殊定義手性的一維單體中產生強大而穩健的光電流；不同的一維結構應具有一致的極性，以確保建設性的BPVE電流收集；平行對齊的一維陣列是促進大規模太陽能電池集成的首選。 鑒于此，北京大學劉開輝教授聯合中國人民大學劉燦副教授、中國科學院半導體研究所魏鐘鳴研究員和中國科學院深圳先進技術研究院丁峰教授等科學家提出了一種創新的原子制造策略，用于確定性地制造具有定義手性和一致極性的WS2帶狀陣列。通過利用WS2晶格與具有對齊臺階的藍寶石基底之間的耦合，這一策略不僅能夠決定WS2晶格的外延取向并引導帶的軸向，從而定義帶的手性，還可以通過帶-前體界面的熱力學驅動單極性終止生長，制造出具有一致極性的扶手椅型、鋸齒型和手性（左旋和右旋）帶狀陣列。相關成果在“Science”期刊上發表了題為“WS2 ribbon arrays with defined chirality and cohe2t polarity”的最新論文。本研究成功解決了在一維TMDs的BPVE應用中控制手性和極性的一系列技術難題。通過這種原子制造機制，研究團隊不僅能夠系統地研究依賴手性的BPVE響應，還能夠通過利用具有一致極性的單手性帶狀陣列來生成建設性的BPVE光電流。這一突破為推進TMDs基BPVE器件從單個原型概念到大規模集成應用鋪平了道路，具有廣泛的應用前景。
圖文解讀
圖1展示了WS2帶狀陣列的制備過程和結構特征。首先，在圖1A中，研究者通過蒸發Na2WO4薄膜并將其沉積到a面藍寶石基底上，形成了預先種植的Na2WO4模板。然后，在圖1B中，通過在930°C的升溫條件下，利用上方放置的ZnS板分解供給的硫原子，促使WS2帶狀陣列沿著a-Al2O3方向生長。在圖1C中，展示了生長后的單向WS2帶狀陣列的光學圖像，顯示了均勻的分布。接著，在圖1D中，通過拉曼映射展示了帶的結晶結構，其中的拉曼模式和分布圖表明了WS2晶格結構的形成。圖1E進一步展示了WS2帶狀陣列的端部SEM圖像及其對應的元素分布，驗證了種子驅動的VLS生長機制。最后，在圖1F和G中，通過統計長度和寬度的分布，研究者展示了帶的形態可以通過調節Na2WO4溶液濃度來控制。這些實驗結果為進一步研究WS2帶狀陣列的性質及其在光伏等領域的應用提供了重要參考。 圖2展示了通過高角度暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）觀察到的WS2帶的晶格結構，并且證明了其一致極性方向（圖2A）。相應的選區電子衍射（SAED）圖案顯示了來自WS2晶格平面內反轉對稱性破壞的布拉格峰，并且W亞晶格的衍射斑點強度比S亞晶格高約30%（圖2B）。進一步的實驗表明，當孔徑放置在W亞晶格處時，相鄰的兩個帶在亮場圖像和暗場圖像中保持了一致的對比度，表明了它們的一致極性方向（圖2C）。通過原子分辨率STEM圖像的觀察，進一步證實了兩個帶在原子水平上的相同方向（圖2D）。通過非線性光學光譜的高通量研究，研究者開發了一種方法來映射分開帶的極性方向。通過覆蓋在帶狀陣列頂部表面的WS2單晶層域，研究者能夠區分一致極性方向和不一致極性方向的陣列。實驗結果顯示，在一致極性方向的情況下，重疊區域的SHG信號增強了四倍，表明了WS2帶在整個陣列中的一致性（圖2F和G）。這一研究結果為進一步理解WS2帶狀陣列的極性特性提供了重要的實驗支持，有助于推動WS2材料在光電子學領域的應用。 研究者在圖3中通過原子級精確制造，成功地實現了WS2帶狀陣列的手性和軸向手性的控制。該研究旨在利用手性定義的帶狀結構來控制光電特性，從而為可持續能源技術提供新的途徑。通過圖中的原子力顯微鏡圖像、光學圖像和SHG響應圖像的觀察和分析，研究者展示了WS2帶狀陣列中不同手性的形成機制和特性。在圖3A中，研究者首先通過沿特定晶向生長WS2帶，實現了軸向手性的定義。通過選擇不同的晶向和襯底，研究者成功地獲得了不同手性的WS2帶，如ZZ-R、AC-R和C-R。進一步的原子力顯微鏡和光學顯微鏡圖像顯示了WS2帶的形貌和結構特征，驗證了其手性的一致性和定向性。SHG響應圖像進一步證明了帶的手性對光學性質的影響，顯示了不同手性帶的光學非線性特性。 在圖4中，研究者進一步研究了WS2帶狀陣列的光電特性，特別是與手性相關的BPVE效應。通過制備帶狀光伏器件，并利用激光光源對其進行照射，研究者測量了不同手性WS2帶的短路電流分布。結果表明，具有特定手性的帶在光照下會產生自主的光電流，而不同手性的帶對光照的響應不同。具體來說，AC-Rs表現出明顯的BPVE響應，而ZZ-Rs則沒有明顯的光電流產生。此外，研究者還發現了帶的手性對光電流強度和方向的影響，證明了手性控制對WS2帶狀陣列的光電性能具有重要意義。通過集成多個帶狀結構和設計合適的電極，研究者進一步展示了WS2帶狀陣列的集體光電特性。這些結果為基于WS2帶的光伏器件的開發提供了重要的理論和實驗基礎，為未來的光電子學應用提供了新的思路。
總結展望
本文開發了一種制造策略，可以精確控制一維過渡金屬二硫化物（TMD）帶狀陣列的生長，從而實現了具有明確定義的手性和一致極性的結構。這項研究不僅為理解和控制TMD材料的結構與性能提供了新的途徑，也為開發高效的光電子器件和新型太陽能轉換技術提供了重要的基礎。通過系統地研究手性依賴的體塊光伏效應（BPVE）和實現光伏器件陣列的集成，本文展示了TMD材料在太陽能轉換領域的巨大潛力。這項研究的成果為未來設計更高效的光電子器件提供了重要的指導，并為實現自主駕駛芯片電子學和光電子學的進步鋪平了道路。
Guodong Xue et al. , WS2 ribbon arrays with defined chirality and cohe2t polarity. Science 384,1100-1104 (2024).DOI:10.1126/science.adn9476https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn9476
