文章链接：https://www.nature.com/articles/s41377-024-01691-z
亮点
1.突破传统接触限制
采用边缘接触（Edge Contact, EC）几何结构，相较于顶部接触（Top Contact, TC），显著提升了过渡金属二硫化物（3R-MoS₂）的体光伏效应（BPVE），实现了光生电流的100倍增强。
2.拉伸应变的独特作用
边缘接触金属与材料边缘和基底强粘附，引入显著的拉伸应变，进一步优化了材料的电子结构，从而提升了光伏性能。
3.全利用面内极化
侧接触几何结构能够完全接触到光可达的3R-MoS₂下层面内极化，充分发挥了材料的内在极化特性。
4.结合传统与新型光伏效应
通过3R-MoS₂/WSe₂异质结，首次展示了体光伏效应与传统光伏效应的构造性耦合，为多功能光伏和光探测器件提供了新方向。
5.高效材料设计与应用潜力
在无需复杂结构调整的情况下，通过边缘接触和异质结设计，显著提升了光伏和光探测性能，展现了在光电器件中的实际应用潜力。
摘要
具有非中心对称结构的氧化物材料能够展现体光伏效应（BPVE），但其电池效率较低。近年来，通过不对称引发的自发极化，二维（2D）层状材料和堆叠结构展示出较高的BPVE系数。本文报道了通过采用铋亚金属边缘接触（EC）几何结构，在3R-MoS₂中显著提升BPVE的关键突破。与传统的顶部接触（TC）几何结构形成鲜明对比，边缘接触金属可与材料边缘和基底形成强粘附，同时引入显著的拉伸应变。此外，侧接触几何结构能够完全利用光线可达的下层面内极化，从而使光生电流的BPVE提升超过100倍。研究进一步设计了3R-MoS₂/WSe₂异质结，展示了BPVE与传统光伏效应的构造性耦合效应，表明其在光探测器和光伏器件领域具有重要潜力。
研究背景和主要内容
体光伏效应 (BPVE) 通常出现在具有非中心对称结构的材料中，由于其有可能超越控制传统太阳能电池的肖克利-奎瑟 (SQ) 极限，因此引起了人们的极大兴趣。对 BPVE 的探索可以追溯到 20 世纪 70 年代，主要集中于铁电氧化物材料 。这些早期研究对探索无内建场情况下光电流产生的机制做出了重要贡献。然而，这些材料中 BPVE 诱导的光电流通常非常小，并且由于它们的带隙能量较大，而被限制在较窄的光谱范围内。最近对二维 (2D) 层状材料的研究表明，过渡金属二硫属化物 (TMD) 在利用 BPVE 方面具有巨大的前景。研究发现，在TMD中观察到的光电流比其他系统的光电流大几个数量级。此外，研究人员还尝试了各种方法来进一步增强 TMD 中的 BPVE，包括应变工程、异质界面 、去极化场和边缘嵌入结构。特别是，3R-MoS2
具有对称性，原则上不应表现出任何平面内极化，因此不应观察到 BPVE。然而，一旦施加外部应变，在 3R-MoS2中观察到的光电流就会呈现出明显的 BPVE 。这些努力在理解和控制 TMD 中的 BPVE 方面取得了重大进展，从而为其在高效光电探测器和光伏设备中的应用铺平了道路。
尽管取得了这些成就，但 TMD 在 BPVE 中的全部潜力尚未得到发挥，还有几个基本问题有待解决。一是由于费米能级的强钉扎效应，金属和 TMD 之间典型的非欧姆接触。这使得准确评估 BPVE 变得困难，因为界面肖特基势垒极大地抑制了来自 BPVE 的电流。值得注意的是，最近的研究结果表明，半金属铋 (Bi) 和锑 (Sb) 可以有效降低金属-TMD 肖特基势垒，从而产生理想的欧姆接触。这一进展可能为增强二维 TMD 中的 BPVE 提供一种有前途的方法。二是以前的器件通常采用顶部接触 ( TC ) 电极，这可能无法充分利用TMD内的极化。事实上，对块体 LiNbO3 的早期研究表明边缘接触 (EC) 配置中的 BPVE 大于 TC 配置2中的 BPVE 。由于二维层状 TMD 的特殊结构，TC 和 EC 之间的这种差异预计会更加明显，并且还有待探索。第三，在这些 2D 材料中，打破面内对称性以诱导 BPVE 的典型方法是通过不可扩展的方法来添加外部应变。此外，目前对 BPVE 的研究主要集中于增强其光电流或效率，而 BPVE 与传统光伏效应 (PVE) 之间的相互作用仍未得到充分探索。
这里，使用 EC 半金属 Bi/Au 电极研究了 3R-MoS2中的 BPVE 。由于 EC Bi 金属引起的拉伸应变、Bi-MoS2的低接触电阻以及 EC 完全访问来自底层 3R-MoS2层的平面内极化，观察到光电流和光电压的BPVE 前所未有的改善。我们认为应变主要在金属沉积阶段引起，其中高沉积温度有利于金属和 3R-MoS2之间形成化学键，并且由于金属的大幅收缩，在冷却过程中形成拉伸应变。最重要的是，该方法简单，无需应用额外步骤来引起横向应变以破坏 3R-MoS2的平面对称性。此外，通过设计 3R-MoS 2 /WSe 2异质结，我们展示了 BPVE 与 PVE 的建设性耦合，有助于该领域的进步和潜在应用。
为了研究 TC 和 EC 配置之间 BPVE 的差异，准备了两种类型的器件（图1a、b），其中的过程涉及使用聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 将剥离的 3R-MoS2薄片转移到 SiO2 /Si 基底上。为了避免薄片之间的差异，选择了宽度和厚度均匀的长薄片，并且为了公平比较，通常在同一薄片上制造具有相同厚度的 TC 和 EC 器件。我们使用二次谐波产生 (SHG) 来确定并使扶手椅方向与器件的通道方向对齐，如图S1所示。使用标准电子束光刻 (EBL) 对电极进行图案化。对于 TC 器件，使用物理气相沉积 (PVD) 将 Bi 和 Au (Bi/Au) 直接沉积在 3R-MoS2上。而对于 EC 器件，先用 CF4等离子体蚀刻预图案区域以露出 3R-MoS2的边缘，然后再进行 Bi/Au 沉积。使用扫描透射电子显微镜 (STEM) 执行横截面高分辨率透射电子显微镜 (HRTEM) 和能量色散 X 射线光谱 (EDS) 元素映射，以检查 TC 和 EC 器件的结构（图1c、d）。结果证实了金属和 3R-MoS2之间的干净界面。请注意，3R-MoS2的边缘并非理想地垂直于基板平面，而是对于厚度约为 22 层的薄片在长度上具有约 100nm 的倾斜，这受到我们制造工艺中使用的蚀刻技术的限制。
图 1：TC 和 EC 设备的制备和特性。a、b TC 器件（ a）和 EC 器件（b）的示意图。c、d TC器件右电极区域（c）和 EC 器件左电极区域（d）的横截面 HRTEM 图像和 STEM-EDS 元素映射，其中 Pt 是支持 HRTEM 成像的保护材料
图 2：基于 Bi/Au 的 3R-MoS2 器件中 BPVE 的特性。a TC 和 EC 3R-MoS2器件的I-V曲线。激光波长为 488 nm，功率为 395 μW。插图：制备好的器件的放大光学显微照片，红点表示激光照射位置。比例尺：10 μm。b 、c TC 和 EC 器件的 BPVE 光电流 ( b ) 和光电压 ( c ) 的3R-MoS2层厚度依赖性。d TC 和 EC 器件的空间光电流映射以及I
