编辑总结
低维材料中的体光伏效应利用内建极化来产生光激发载流子，而无需结的存在。然而，输出的光电流较低，目前正在努力扩大这一效应。本研究介绍了一种用于钨二硫化物纳米带阵列的外延生长方法，该方法具有预定义的手性和一致的极性。在制造具有确定结构的带状阵列方面的灵活性，使得系统研究依赖手性的体光伏效应以及光伏器件阵列的实现成为可能。作者的策略提供了一种按需定制和大规模集成一维材料的多功能方法，这应当能够推动自驱动片上电子和光电子设备的发展。
研究背景
随着全球向可持续能源实践的过渡，高效且多功能的光伏技术引起了广泛关注。体光伏效应（BPVE）作为一种在无反中心对称材料中发生的二阶非线性现象，能够直接将太阳能转换为电流，提供了一种有前景的解决方案。与传统的p-n结光伏技术相比，BPVE有望绕过传统太阳能电池中固有的Shockley-Queisser极限，从而实现更高的能量转换效率。然而，尽管BPVE在理论上具有巨大潜力，但实际应用中仍存在诸多问题。首先，BPVE在一维过渡金属二硫族化合物（TMDs）中的应用由于其低内对称结构和在可见光谱中的强吸收，显示出特殊的优势，但要实现大规模的高效光电流输出仍然面临挑战。具体而言，为了通过大规模一维结构的互连进一步扩大基于TMD的BPVE电流，需要满足几个并行的标准：在具有特殊定义手性的一维单体中产生强大而稳健的光电流；不同的一维结构应具有一致的极性，以确保建设性的BPVE电流收集；平行对齐的一维阵列是促进大规模太阳能电池集成的首选。 鉴于此，北京大学刘开辉教授联合中国人民大学刘灿副教授、中国科学院半导体研究所魏钟鸣研究员和中国科学院深圳先进技术研究院丁峰教授等科学家提出了一种创新的原子制造策略，用于确定性地制造具有定义手性和一致极性的WS2带状阵列。通过利用WS2晶格与具有对齐台阶的蓝宝石基底之间的耦合，这一策略不仅能够决定WS2晶格的外延取向并引导带的轴向，从而定义带的手性，还可以通过带-前体界面的热力学驱动单极性终止生长，制造出具有一致极性的扶手椅型、锯齿型和手性（左旋和右旋）带状阵列。相关成果在“Science”期刊上发表了题为“WS2 ribbon arrays with defined chirality and cohe2t polarity”的最新论文。本研究成功解决了在一维TMDs的BPVE应用中控制手性和极性的一系列技术难题。通过这种原子制造机制，研究团队不仅能够系统地研究依赖手性的BPVE响应，还能够通过利用具有一致极性的单手性带状阵列来生成建设性的BPVE光电流。这一突破为推进TMDs基BPVE器件从单个原型概念到大规模集成应用铺平了道路，具有广泛的应用前景。
图文解读
图1展示了WS2带状阵列的制备过程和结构特征。首先，在图1A中，研究者通过蒸发Na2WO4薄膜并将其沉积到a面蓝宝石基底上，形成了预先种植的Na2WO4模板。然后，在图1B中，通过在930°C的升温条件下，利用上方放置的ZnS板分解供给的硫原子，促使WS2带状阵列沿着a-Al2O3方向生长。在图1C中，展示了生长后的单向WS2带状阵列的光学图像，显示了均匀的分布。接着，在图1D中，通过拉曼映射展示了带的结晶结构，其中的拉曼模式和分布图表明了WS2晶格结构的形成。图1E进一步展示了WS2带状阵列的端部SEM图像及其对应的元素分布，验证了种子驱动的VLS生长机制。最后，在图1F和G中，通过统计长度和宽度的分布，研究者展示了带的形态可以通过调节Na2WO4溶液浓度来控制。这些实验结果为进一步研究WS2带状阵列的性质及其在光伏等领域的应用提供了重要参考。 图2展示了通过高角度暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）观察到的WS2带的晶格结构，并且证明了其一致极性方向（图2A）。相应的选区电子衍射（SAED）图案显示了来自WS2晶格平面内反转对称性破坏的布拉格峰，并且W亚晶格的衍射斑点强度比S亚晶格高约30%（图2B）。进一步的实验表明，当孔径放置在W亚晶格处时，相邻的两个带在亮场图像和暗场图像中保持了一致的对比度，表明了它们的一致极性方向（图2C）。通过原子分辨率STEM图像的观察，进一步证实了两个带在原子水平上的相同方向（图2D）。通过非线性光学光谱的高通量研究，研究者开发了一种方法来映射分开带的极性方向。通过覆盖在带状阵列顶部表面的WS2单晶层域，研究者能够区分一致极性方向和不一致极性方向的阵列。实验结果显示，在一致极性方向的情况下，重叠区域的SHG信号增强了四倍，表明了WS2带在整个阵列中的一致性（图2F和G）。这一研究结果为进一步理解WS2带状阵列的极性特性提供了重要的实验支持，有助于推动WS2材料在光电子学领域的应用。 研究者在图3中通过原子级精确制造，成功地实现了WS2带状阵列的手性和轴向手性的控制。该研究旨在利用手性定义的带状结构来控制光电特性，从而为可持续能源技术提供新的途径。通过图中的原子力显微镜图像、光学图像和SHG响应图像的观察和分析，研究者展示了WS2带状阵列中不同手性的形成机制和特性。在图3A中，研究者首先通过沿特定晶向生长WS2带，实现了轴向手性的定义。通过选择不同的晶向和衬底，研究者成功地获得了不同手性的WS2带，如ZZ-R、AC-R和C-R。进一步的原子力显微镜和光学显微镜图像显示了WS2带的形貌和结构特征，验证了其手性的一致性和定向性。SHG响应图像进一步证明了带的手性对光学性质的影响，显示了不同手性带的光学非线性特性。 在图4中，研究者进一步研究了WS2带状阵列的光电特性，特别是与手性相关的BPVE效应。通过制备带状光伏器件，并利用激光光源对其进行照射，研究者测量了不同手性WS2带的短路电流分布。结果表明，具有特定手性的带在光照下会产生自主的光电流，而不同手性的带对光照的响应不同。具体来说，AC-Rs表现出明显的BPVE响应，而ZZ-Rs则没有明显的光电流产生。此外，研究者还发现了带的手性对光电流强度和方向的影响，证明了手性控制对WS2带状阵列的光电性能具有重要意义。通过集成多个带状结构和设计合适的电极，研究者进一步展示了WS2带状阵列的集体光电特性。这些结果为基于WS2带的光伏器件的开发提供了重要的理论和实验基础，为未来的光电子学应用提供了新的思路。
总结展望
本文开发了一种制造策略，可以精确控制一维过渡金属二硫化物（TMD）带状阵列的生长，从而实现了具有明确定义的手性和一致极性的结构。这项研究不仅为理解和控制TMD材料的结构与性能提供了新的途径，也为开发高效的光电子器件和新型太阳能转换技术提供了重要的基础。通过系统地研究手性依赖的体块光伏效应（BPVE）和实现光伏器件阵列的集成，本文展示了TMD材料在太阳能转换领域的巨大潜力。这项研究的成果为未来设计更高效的光电子器件提供了重要的指导，并为实现自主驾驶芯片电子学和光电子学的进步铺平了道路。
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
