郭芸帆团队Advanced Materials：具有增强压电响应和载流子迁移率的宏观 Janus 型过渡金属硫化物单晶

Janus过渡金属二硫化物（Janus TMDCs）是一种新型的二维半导体，其独特的面外非对称结构使该类材料具有内禀的不对称性和垂直电偶极矩，为人们在原子尺度上调控对称性开辟了新途径。然而，高质量宏观单晶的缺失阻碍了对其新奇物性与器件应用的探索。

近日，浙江大学化学系郭芸帆研究员团队实现了毫米级Janus TMDCs单晶的可控制备，并证实其优异的压电性能和载流子输运性能，推动了这一新兴半导体材料的基础研究及其在器件应用上的发展。该论文已发表于《Advanced Materials》。

图1. Janus TMDCs的转化与光谱/晶格表征。

研究者利用金胶带剥离法获得高质量单层TMDCs，并通过优化的室温原子层替代（room-temperature atomic-layer substitution，RT-ALS）技术实现了Janus 结构转化，成功制备出毫米级Janus MoSSe、MoSeS、WSSe和WSeS单晶。研究发现，衬底相对于等离子体源的放置角度会直接影响氢等离子体自由基的传质过程，当衬底竖直放置（90^o）时，氢自由基可同时均匀到达样品表面，实现全区域近100%的均匀转化。拉曼（Raman）光谱和光致发光（PL）光谱证实硒原子的成功替代，高分辨原子力显微镜（AFM）进一步显示了 MoSSe 单晶的表面平整和结构完整。

图2. Janus MoSSe 的光谱映射。

图2展示了所得 Janus MoSSe单晶的大面积均匀性和单晶性。PL显示其激子发射峰在整个测试区域内均匀分布，峰位约在1.71 eV，半峰宽仅为72.00 ± 1.45 meV；对应的拉曼 A_1g模式峰位分布在 289.62 ± 0.07 cm^-1，半峰宽仅为 4.39 ± 0.07 cm^-1。上述光谱参数的标准偏差与未转化的机械剥离 MoS₂单层相当。此外，二次谐波谱（SHG）测量显示，数百微米区域内的SHG信号强度一致，且不同位置的偏振依赖测量均呈现相同的六瓣对称图案，证明所得的Janus TMDCs材料为单晶结构。

图3. Janus TMDCs的压电特性。

基其内禀的垂直极化结构，Janus TMDCs理论上具有显著的面外压电响应。研究者采用压电力显微镜（PFM）测试，在单层Janus MoSSe上施加1 V偏压即可观察到清晰的振幅对比，而对照样品MoS₂几乎无响应。经校准后得到 Janus MoSSe 和 WSSe 的有效面外压电系数d₃₃分别约为 1.56 pm/V 和 2.06 pm/V；而构型相反的 WSeS 则表现出约-1.78 pm/V的负压电响应，这是目前实验报道的最高值，较先前实验结果提升了15倍以上。

图4. Janus MoSSe 场效应晶体管的电学性能表征。

在电学输运性能，研究人员基于宏观的 Janus 单层样品构建了场效应晶体管。Janus MoSSe 器件表现出稳定的n型传输特性，电子迁移率可达13 cm²·V^-1·s^-1；线性输出特性表明 MoSSe 与 Au 电极之间形成了良好的欧姆接触；得益于毫米级单晶尺寸，研究者进一步实现了10×10阵列器件的批量制备，取得了95%的器件良率。以上研究为高质量Janus结构二维半导体材料的规模化生产和器件集成提供了可行路径。

该论文的第一署名单位为浙江大学化学系，访问学者沈宏志和访问学生周昊为本文共同第一作者，西湖大学师恩政研究员和浙江大学化学系郭芸帆研究员为本文共同通讯作者。该工作得到国家重点研发计划（2022YFA1204301）、国家自然科学基金项目（22475186、62204208）和浙江省自然科学基金项目（LZ25B010001）的支持。

论文链接：10.1002/adma.202518117

郭芸帆课题组主页：https://www.guo-group.cn/

图文：郭芸帆研究员课题组

编辑：黄珍珍 邹尔纯

审核：陆展