英文原题：Enhanced Emission of Molybdenum Disulfide by Organic-Inorganic Hybrid Heterojunctions

作者：Si-Wei Zhang, Fulong Ma, Jinhui Jiang, Zaiyu Wang, Zijie Qiu, Jacky W. Y. Lam, Guodan Wei*, Zheng Zhao*, and Ben Zhong Tang*

研究背景：

自2004年石墨烯问世后，诸如MoS₂、WS₂等二维半导体因其原子级厚度、优良的电学和光学性能吸引了大量关注。这些材料在显示、照明、光探测等领域有着广泛应用前景。虽然化学气相沉积（CVD）能够实现大面积制备，但相较于机械剥离法得到的高质量薄层，CVD生长的MoS₂往往伴随较高的缺陷密度。缺陷会导致过量自由电子的存在，进而生成以负激子（trion，复合了两个电子和一个空穴）为主的辐射通道，而负激子的辐射效率通常低于中性激子. 在MoS₂中，电子和空穴的结合会形成激子。缺陷和多余载流子可能使激子捕获额外电子形成负激子，这一态虽然在低温环境下较为明显，但其发光效率往往不及中性激子，从而限制了材料整体的发光性能。为了提高器件性能，研究者们尝试通过化学掺杂、门控调节、气态掺杂、垂直异质结构等方法来调控MoS₂的载流子密度与激子种类。然而，这些方法在实际工艺中往往涉及工艺复杂、成本高及可能引入残留溶剂等问题。

内容介绍：

近日，香港中文大学（深圳）唐本忠院士团队与清华大学深圳国际研究生院韦国丹教授合作在Precision Chemistry上发表了使用有机无机杂化异质结提升二硫化钼发光效率的文章。研究者利用真空蒸发技术，在CVD生长的单层MoS₂表面直接沉积约5nm的HATCN。HATCN作为一种常见的空穴注入材料，具有较低的最高占据轨道（HOMO）能级。与MoS₂的导带相匹配后，形成了明显的II型能级结构，有效促进了导带电子向HATCN分子的最低未占轨道（LUMO）转移，从而降低了负激子的生成概率。由于电荷转移作用，中性激子的辐射优势明显，最终使得MoS₂的发光强度较原始样品提升了15倍。PL（光致发光）光谱显示，从原本同时存在的负激子和中性激子双峰态转变为以中性激子为主的单峰态，明显优化了器件的发光特性。

图1. MoS₂/HATCN异质结和原始MoS₂ (a)在室温和(b)在低温（77 K）下的PL。(c) MoS₂和HATCN薄膜的UPS与能级排列示意图。(d) MoS₂/HATCN杂化异质结增强PL的机理。

通过温度相关的PL和Raman光谱测试，研究人员证明了该异质结在80 K至580 K范围内能保持较好的光学性质。随着温度升高，不仅激子峰位发生蓝移，而且谱线宽度（FWHM）得以控制，说明HATCN层在一定程度上抑制了缺陷引起的非辐射能级，有助于维持稳定的光电性能。

图2 MoS₂/HATCN异质结和原始MoS₂变温PL图

图3 MoS₂/HATCN异质结和原始MoS₂变温Raman图

总结/展望：

此次研究为MoS₂发光效率提升提供了一条可行的思路。通过构建有机–无机混合异质结，实现了从负激子向中性激子发射模式的转换，大幅提高了发光强度。简单的真空蒸发工艺不仅降低了材料改性工序的复杂性，还避免了溶剂残留问题，使此方法更易于与现有半导体工艺兼容，具备较高的产业化转化潜力。

Cite this: Zhang, S.-W.; Ma, F.; Jiang, J.; Wang, Z.; Qiu, Z.; Jacky; Wei, G.; Zhao, Z.; Tang, B. Z. Enhanced Emission of Molybdenum Disulfide by Organic–Inorganic Hybrid Heterojunctions. Precision Chemistry 2023, 1 (6), 357–362. https://doi.org/10.1021/prechem.3c00067.