六方氮化硼(h-BN)因其无悬挂键/带电杂质的原子级平整表面、有效的介电屏蔽效应、异质界面的自清洁作用等特性，常常作为隧穿势垒层应用在二维异质结器件中，可以有效提升器件性能表现。然而，单层h-BN势垒层对层间耦合作用的调制效应及其对层间电荷转移阻隔强度的实验研究仍有较大探索空间。Graphene/MoS₂异质结之间为完美肖特基接触，势垒高度可调，在材料科学、凝聚态物理和光电应用等领域都受到了广泛关注。因此，本研究基于Graphene/h-BN/MoS₂隧穿异质结，综合多种光谱研究方法，实验探究单层h-BN势垒对异质结重要光学性质的调控作用，为相关隧穿异质结光电器件的设计奠定物理基础。

图1.a) Graphene/h-BN/MoS₂二维隧穿异质结结构，b) 能带对齐方式示意图；单层h-BN势垒对异质结c) 临界点跃迁能量和d-e) 激子性质的调控作用

近日，复旦大学张荣君教授、长春光机所李绍娟研究员团队在ACS Applied Materials & Interfaces上发表了Graphene/h-BN/MoS₂肖特基异质结中单层h-BN对异质结电子能带结构和激子性质调控作用的研究。

图2. a) 薄膜的光电导率实部和 b) 能量损失函数

实验发现，单层h-BN势垒层只可阻碍部分的层间电荷转移。并且，单层h-BN势垒层通过降低有效介电屏蔽和释放量子限制来削弱层间耦合效应。与此同时，单层h-BN势垒层不会改变异质结带隙附近的电子能带结构（图3a），石墨烯狄拉克锥和MoS₂直接带隙在Graphene/h-BN/MoS₂异质结中都没有被破坏，所以该异质结仍可保持高效直接跃迁吸收，大部分光生载流子隧穿进入Graphene层被快速传导，这就是相关光电器件高光增益产生的原因。图2a-b可以看到，Graphene/h-BN/MoS₂的光电导率和等离子体集体激发相较Graphene/MoS₂都略有提高。除此之外，Graphene/h-BN/MoS₂的激子结合能相对Graphene/MoS₂发生红移，激子跃迁能量只发生轻微红移，说明相应激子器件的响应波长基本不变。

图3.薄膜样品的a) 临界点跃迁能量，b) 激子跃迁能量和c) 激子束缚能比较

研究团队通过研究Graphene/h-BN/MoS₂和Graphene/MoS₂异质结宽谱光学性质的演变，利用多种光谱研究方法综合分析了单层h-BN势垒层对异质结电子能带结构和激子性质的调制效应，进而探究了单层h-BN对层间耦合作用的调制效应及其对层间电荷转移的阻碍强度。本文中报道的异质结宽谱（200-1000 nm）光学性质和对单层h-BN势垒层插入效应的分析，将有助于基于隧穿异质结的高效光电器件的开发和创新。

相关论文发表在ACS Applied Materials & Interfaces上，复旦大学博士后朱绪丹为文章的第一作者，张荣君教授和李绍娟研究员为通讯作者。研究工作受国家自然科学基金NSAF联合基金、国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划项目、上海市高水平地方高校建设等资助。