苏州城市学院光学与电子信息学院雎胜研究员、丁云副教授与合作者在二维极性材料自发光伏领域取得重要进展。研究团队提出构建二维极性材料MoSSe的双层结构，基于激子效应实现光学效应的有效调控，层间激子能量蓝移至红外光到红光的光谱范围，激子寿命升高至微秒级。基于这一结构设计的自发光伏光电探测器有望在新一代高性能、高集成度以及柔性光伏和光电子器件领域带来重要应用。2025年1月20日，相关研究成果以“双面神MoSSe材料中电场调控的准粒子能隙和电子-空穴激发性质”（Electric Control of Quasiparticle Band Gap and Electron−Hole Excitation in the Bilayer of Janus Structure MoSeS）为题，在线发表于ACS系列期刊 ACS Applied Electronic Materials。
图1 上图：电场作用下，双层Janus MoSeS中的层间激子与层内激子示意图；下图：电场调控下双层Janus MoSeS光吸收谱。
二维材料可以通过表面修饰具有双面性，即二维Janus材料。中心反演对称性破缺使反常光伏效应自发出现，这与传统光伏器件不同，无需p-n结即可分离光生载流子，因此效率有望突破Shockley-Queisser极限。基于以上背景，雎胜研究组提出对二维Janus光伏材料进行理论研究，以MoS₂为母体，替换上下表面的硫原子为不同硫族元素，得到二维Janus结构体系，利用第一性原理方法，考虑多体相互作用，寻找兼具高光学吸收率、高光电转换率、高外场调控度的新型光伏材料，以达到未来太阳能电池的应用要求。
研究团队提出将二维过渡金属硫族化合物（MoS2）一侧的S原子进行选择性Se替换，构建具有镜面对称性破缺和反演对称性破缺的双面神材料MoSSe。基于多体微扰理论，研究团队计算发现由于存在垂直方向的本征电偶极矩，能带结构呈现Type-II带边对齐特性，最低能量激发为层间激子。当翻转外加电场方向从与电偶极矩平行至反平行时，准粒子带隙增大，层间激子能量蓝移至从红外光到红光的光谱范围，激子寿命也增加至原来的四倍，达到微秒级。本工作为二维自发光伏器件提供全新的材料结构，提出以激子效应为核心机制，利用电场调控光学行为，将推动未来高频响、高集成的柔性光电器件和自驱动光电探测技术的发展。
苏州城市学院光学与电子信息学院本科生胡斌、汪顺、苏州大学博士生钱天翔、周琚为论文共同第一作者；丁云、苏州大学蔡田怡教授、雎胜为论文共同通讯作者。
研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、苏州市基础研究项目、苏州城市学院文正学者和全国大学生创新创业训练计划项目的大力支持。
论文原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaelm.4c01847
