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正在进行的全球可持续能源转型加剧了对高效和多功能光伏技术的迫切需求。体光伏效应（BPVE）是一种在非中心对称材料中的二阶非线性现象，可直接将太阳能转化为电流，为新型光伏提供了一种有前景的解决方案。BPVE与传统p-n结光伏技术相辅相成，且有望克服固有存在于常规太阳能电池中的肖克利—开斯特极限（Shockley–Queisser limitation）。一维（1D）过渡金属硫化（TMDs）由于其低内部对称性结构和在可见光谱范围内的强光吸收特性，与BPVE所需的先决条件十分契合。
为了通过大型一维结构互连来扩大基于TMD的BPVE电流，必须同时满足以下几个条件：（1）在具有特定手性的一维个体中必须产生鲁棒且强的光电流；（2）不同的一维结构应具有相干极性，以有助于确保BPVE电流的收集。（3）优先考虑平行排列的一维阵列，以便于大规模太阳能电池的集成。综合考虑，具有特定轴向手性和相干极性的单向排列阵列是将基于TMD的BPVE器件从单个原型概念推进到大规模集成应用的先决条件。
最近，在调控一维TMD的宏观结构方面取得了进展，如它们的取向和长径比等。然而，对轴向手性和极性方向等微观排列的控制，阻碍了该领域进一步的进展。这一挑战，因为缺乏在原子水平上控制结构几何形状的有效机制而更加复杂化。一维碳纳米管和石墨烯纳米带的手性控制生长为此提供了一个可靠的参考。然而，TMD在六方晶格中具有两种元素的非中心对称晶格，甚至比它们的一维对应物更加复杂，往往会产生具有反向极性的双晶结构。因此，需要一种可提供原子级精确晶格排列的合成策略来解决这些挑战。
鉴于此，北京大学刘开辉教授，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研究员及其团队在Science期刊上发表了题为“WS
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ribbon arrays with defined chirality and coherent polarity”的工作。这篇报道提出了一种用于精确制造具有可控手性和相干极性的WS
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纳米带阵列的原子级制造策略。该方法利用了WS
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晶格与具有台阶排列的蓝宝石基底之间的耦合作用，该作用决定了WS
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晶格的外延取向，引导纳米带轴向，从而控制纳米带的手性。纳米带—前驱体界面的热力学作用驱动单极性终止生长。因此，可以选择性制造出具有相干极性的armchair、zigzag和手性（左旋和右旋）纳米带阵列。通过原子制造机制生长的各种纳米带，使得能够研究手性依赖的BPVE响应，表明了利用具有相干极性的单一手性纳米带阵列产生BPVE光电流的应用。
图 1. 有序排列WS
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纳米带阵列的制造过程。(A) 在蓝宝石基底上预植入Na
2
WO
4
颗粒的示意图。(B) 在蓝宝石衬底上VLS生长WS
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带的示意图。(C) 单向WS
2
纳米带阵列的光学图像。(D) 纳米带基于E
2g
1
振动模式强度的拉曼mapping图。(E) 带末端区域的扫描电子显微镜（SEM）图像和相应的俄歇电子能谱元素mapping。预沉积Na
2
WO
4
浓度为1 mg mL
-1
、10 mg mL
-1
和 30 mg mL
-1
的带长度 (F) 和宽度 (G) 统计分布。
图 2. WS
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带阵列的相干极性。(A) 制备的WS
2
带低倍TEM 图像和带边缘的原子分辨HAADF-STEM 图像。(B) WS
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带的 SAED 图案。(C) 两个相邻带的均匀明场（上图）和暗场（下图）图像，分别表示为 R1 和 R2。(D) R1（上图）和 R2（下图）相应原子分辨图像。(E) 通过覆盖三角形WS
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来区分带阵列极性方向的示意图。(F) 带/WS
2
堆叠结构的SHG mapping。(G) 重叠位置 [(F) 中橙色三角形标记] 和裸露位置 [(F) 中浅蓝色圆圈标记] 处对应的SHG光谱。(H) 制备的WS
2
带阵列的极性相干性统计。
图 3. WS
2
带的轴向手性控制。(A 至 D) 分别代表性锯齿形（ZZ-R）、扶手椅形（AC-R）和手性（C-R）带的外延关系图（A
1
至A
3
）、AFM 图像（B
1
至B
3
）、光学图像（C
1
至C
3
）和偏振相关SHG图案（D
1
至D
3
）。
图 4. WS
2
带的手性相关BPVE集成。(A) AC-R中产生自发极化，而ZZ-R中则消失。(B) 基于带状的BPVE器件示意图。(C) 在450 nm激光照射下测量的扶手椅（橙色三角形）、手性（深黄色方块）和锯齿（蓝色圆圈）带的短路电流（I
sc
）分布。(D) 宽度约为150 nm的AC-R的偏振相关I
sc
。(E) 由五个相干AC-R组成器件的I
sc
空间分布mapping。(F) 使用450 nm激光在不同照明功率密度下测得的10-扶手椅带组件的代表性I-V特性曲线。(G) 单个AC-R的短路电流密度（j
sc
）的入射功率密度依赖性。(H) 伪彩色SEM图像，包含由设计的叉指电极对集成的数百个相干扶手椅带通道。WS
2
带以深红色显示，电极以黄色显示。(I) 集成纳米带阵列中纳米带数量对光电流演化的影响。。
【总结展望】
总之，本文开发了一种可控制生长具有可控手性和相干极性的WS
2
纳米带阵列的制造策略。可制造出具有特定结构的纳米带阵列，使得可以系统地研究手性依赖的BPVE，并实现光伏器件阵列的可靠集成。本文提供了一种按需定制和大规模集成一维材料的多用途策略，这将有助于推动自驱动的芯片电子学和光电子学的发展。
【文献信息】
Guodong Xue et al., WS
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ribbon arrays with defined chirality and coherent polarity. Science 384, 1100-1104 (2024). DOI: 10.1126/science.adn9476
文献链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn9476
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