NML综述 | 二维PdSe₂材料及其异质结在电子/光电领域中的应用和展望

2. 比较了PdSe₂的各种合成方法，包括自底向上的体晶化学气相输运法、薄膜和单晶域化学气相沉积法、硒化Pd薄膜法等。此外，还讨论了自顶向下的策略，包括体晶的机械剥离、等离子体减薄、真空退火和相变。

3. 详细地介绍了PdSe₂及其范德华异质结构的器件。

4. 提出了基于PdSe₂材料及其范德华异质结构的未来发展机遇。

图1. PdSe₂材料结构、制备、性质及器件应用的示意图。

晶体结构：PdSe₂是一种具有正交晶格和低对称性的二维皱褶五边形材料，被鉴定为第一个具有五边形结构的TMDC。

电子轨道：在单层PdSe₂中，一个Pd原子与四个Se原子配位，形成一个方形平面结构，PdSe₂中Pd 4d轨道和Se 4p轨道的杂交形成了共价键。费米能级附近的能带由Se元素的p轨道贡献。单分子层PdSe₂的电导带最小值和价带最大值来源于Se的p态和Pd的d态。自旋轨道耦合不影响单层PdSe₂的电子结构。

图2. (a) PdSe₂单分子层的俯视图和侧视图，其中单位细胞用红线标记，蓝色和黄色的球体分别代表Pd和Se原子。(b) 皱褶五边形PdSe₂的三维晶体结构。(c, d) 具有偶、奇数层的PdSe₂晶体结构的STEM图像。(e, f) 相应的层数为偶数和奇数的PdSe₂晶体的模拟图像，插图显示了相应STEM图像的原子模型。

能带结构：具有半导体特性的单层PdSe₂间接带隙的禁带宽度是随着PdSe₂层数的增加而减小，直至PdSe₂没有带隙(0 eV)且具有半金属特性。

图3. (a) 无应变单分子层PdSe₂的能带结构。在(b) 压缩应变和(c) 拉伸应变下，单层PdSe₂具有对称双轴的电子带结构。(d) 体材料PdSe₂的电子能带结构，费米能级设为零。红色和蓝色区域分别代表Pd 4d和Se 4p态的贡献。(e) 拉伸应力为1.0 GPa时PdSe₂体材料的电子能带结构。(f) 体材料PdSe₂的带隙、导带底、价带顶和层间距随单轴拉应力的变化，其中蓝色区域表示层间距的快速增长。

图4. (a)不同层数的PdSe₂材料从单层到体材料的拉曼光谱。(b) PdSe₂的六种主要振动模式。

PdSe₂的性质(各向异性、热电)。

图5. 模拟了平行构型下A_g模(a)和B_1g模(b)的拉曼强度以及交叉构型下A_g模式(c)和B_1g模式(d)的拉曼强度。

图6. 1-3层PdSe₂的(a) 沿x轴(90°) 和y轴(0°)的吸光度。(b) 体材料PdSe₂在300-800 nm范围内的偏振分辨吸收光谱，测量角度为-90~90°。

图7. (a) 室温下n型(左)和p型(右)掺杂PdSe₂的热电输运系数σ、S和S²σ随载流子浓度的变化。(b) 单层PdSe₂晶格热导率随温度的变化。(c) n型(左)和p型掺杂(右)单分子层PdSe₂室温下的热电特性(ZT)。

PdSe₂的相变工程。

图8. (a) 单层Pd₂Se₃的晶格结构和(b) 相应的ADF-STEM模拟图像。(c) 从双层PdSe₂到单层Pd₂Se₃的重建机制示意图。(d) 分层PdSe₂中红色圆圈标记的Se空位配置迁移及其扩散的能垒计算(e)。(f) Pd₁₇Se₁₅的晶格结构和(g) 对应的ADF-STEM图像。(h) 氩气等离子体处理PdSe₂逐层形成Pd₁₇Se₁₅工艺示意图。

PdCl₂和Se的化学气相沉积反应生成PdSe₂薄膜。

图9. (a) CVD法合成PdSe₂的原理图。(b, c) 制备的多层PdSe₂薄膜的照片和AFM高度轮廓图。

等离子体刻蚀处理减薄PdSe₂层。

图10. (a-d) 等离子体处理PdSe₂层的减薄。(e) 刻蚀层与等离子体中的氧含量的关系图。PdSe₂在等离子体刻蚀前(f) 和等离子刻蚀减薄后(g) 的光学显微图。(h-j) PdSe₂碎片变薄前后的原子力显微镜显微图。

IV PdSe₂基器件

图11. (a) 比较了分别与Ti/Au和Pd₁₇Se₁₅接触的PdSe₂沟道的温度依赖迁移率。(b) 采用Ti/Au和Pd₁₇Se₁₅触点的PdSe₂器件肖特基势垒高度的比较。(c) Ti/Au触点和(d) Pd₁₇Se₁₅触点原理图。

PdSe₂ FET的性能影响因素。

图12. (a) PdSe₂场效应晶体管原理图及电测量。(b, c) 在15nm厚的PdSe₂碎片上制备源极和漏极的两个器件的SEM显微图。(d, e) PdSe₂ FET对应的转移特性。(f) PdSe₂ FET在10-6 mbar真空条件下的传输曲线。(g) 比较转移曲线与相对于标准测量时间延迟8 s后的测量曲线。Hw为迟滞宽度。

PdSe₂基光电探测器。

图13. (a) 基于PdSe₂和硅纳米线阵列的光电探测器原理图。(b) 光电探测器的光强依赖性响应率和探测率。(c) 零偏置电压下，光电探测器在不同波长红外光照射下的时变电流。(d) 不同偏振角的光照射下，器件光电流的变化。

PdSe₂基湿度传感器。

图14. (a) 基于PdSe₂的器件在黑暗中相对湿度下电流比的变化。(b) 在黑暗和780 nm照明下灵敏度的相对湿度依赖性。(c) PdSe₂器件在黑暗和780 nm照明下75% RH下的时间响应。(d) 在780 nm下，75% RH下灵敏度的光强依赖性。RH表示相对湿度。

PdSe₂在激光器中的应用。

图15. (a) PdSe₂被动调q Nd:GdLaNbO₄脉冲激光实验装置原理图。(b) 脉冲持续时间(左)和重复频率(右)与吸收泵浦功率的关系。(c) 脉冲能量(左)和脉冲峰值功率(右)随吸收泵浦功率的变化。

PdSe₂的极化光检测以及图像传感器应用。

图16. (a) 图像传感装置的视图。(b) 用四种波长的光源进行光照射，通过调节不同偏振角，使传感器在单色光照射下的光电流。(c) 在红外偏振光照明下对大写P掩模进行成像的系统设置。(d) 器件在大写P掩模在780 nm光照下的高分辨率当前映射图像，偏振角为0(左)和90(右)。(e) 偏振角为0的大写Z的器件成像。

V 总结与展望