美国科学家最近发现，某些二维半导体如MoS2及MoSe2一旦曝露在氧气或水蒸气中，发光效率竟能提高达100倍！此效应可透过控制气体压力达到完全可逆，这项研究成果对于提升2D层状材料制成的光电组件可能相当重要。

 

由加州大学伯克莱分校的Junqiao Wu领导的团队研究了化学式为MX2的层状过渡金属硫属化合物(transition metal dichalcogenides, TMDC)，其中M代表钼(Mo)，X则为硫(S)或硒(Se)。这类半导体材料原本具有间接能隙，制成单分子层(monolayer)后却变成直接能隙，因此在光电组件例如发光二极管及太阳电池上的应用倍受看好。此外，TMDC中的电子与光的作用特别强，因此仅管只有几个原子厚，吸收的光子依然足以形成电流。

 

层状TMDC也有弱点──不太能有效地发光，亦即其光激发光量子产率(photoluminescence quantum yield)较低，不过这个问题最近有了转机。Wu等人发现，只需将真空退火(vacuum annealing)后的这类2D材料曝露在氧气或H2O气体中，其发光效率便能提高100倍，而藉由控制气体压力可使此效应在室温下完全可逆。

 

该团队表示，氧及水分子与TMDC单分子层会产生微弱的交互作用，足以克服70-140 meV的束缚能，由材料中带走为数不少的电子。此电荷转移导致n型TMDC的载子流失，原本不稳定的激子(即电子-电洞对)得以延长寿命，因而能复合并产生更多光子。研究人员指出，单分子层半导体就像石墨烯一样对环境十分敏感，其与周遭气体分子作用造成的电荷转移，会改变材料内的电子浓度，类似传统晶体管的闸极功能，因此他们称之为「分子闸」(molecular gate)。

 

该团队认为此研究能帮助科学家更了解单分子层半导体如何与环境作用，以及对不同气体的反应，而对大多数光电组件而言，发光效率是最重要的参数，因此提高100倍是令人振奋的技术突破。他们目前正忙于探讨缺陷会如何影响2D半导体的发光行为，同时试着制作出具有特殊物理特性的新TMDC材料。详见近期的Nano Letters | DOI: 10.1021/nl4011172。