科學通報 | 巧“構”異質結，妙“控”光與電: COFs/MoS2 范德華異質結界面電子結構解析

在追求更快、更小、更高效光電器件的道路上，二維材料一直是科學家們關注的焦點。如何像搭樂高一樣，將不同材料的優勢完美結合，創造出性能更卓越的“夢幻材料”？

近日，徐雅（第一作者），張立勝、李慧芳教授（通訊作者）團隊在題為“COFs/MoS2范德華異質結界面電子結構解析”的研究中，對共價有機框架（COFs）與二硫化鉬（MoS2）復合的范德華異質結開展了系統的理論計算工作。研究發現，通過巧妙改變COFs的“積木”結構，能夠像開關一樣精準控制異質結的性能，為設計新型光電器件提供了清晰的“設計藍圖”。

科學家們熱衷于將不同的二維材料像堆疊卡片一樣組合起來，形成所謂的“范德華異質結”。這種結構不僅能保留原有材料的優良特性，還能在界面處產生“1+1>2”的神奇效果。

在眾多二維材料中，共價有機框架（COFs） 和 二硫化鉬（MoS2） 格外引人注目。COFs是由有機分子通過強共價鍵精確連接形成的多孔晶體，結構可調，功能多樣；MoS2則是一種性能卓越的無機半導體。將二者結合，有望創造出集有機材料靈活性與無機材料高穩定性于一身的復合材料。

該研究團隊選取了兩種結構不同的COFs“積木”——PPy-CC-Ph（簡稱Sq-R）和TPB-TP-COF（簡稱Ho-R），分別與MoS2組合，構建了兩種異質結（圖1）。

圖 1.Sq-R (a) 和Ho-R (b) 的化學結構示意圖

光電器件的工作效能，根本上取決于對電子與空穴這兩種載流子動力學行為的調控。異質結的能帶排列結構是關鍵性決定因素，它直接主導了載流子是在界面處發生非輻射復合，還是實現有效的空間分離。

Type-I型：電子和空穴被限制在異質結的同一區域，這種特性非常適合制造發光二極管和激光器，有利于促進電子和空穴的高效復合。

Type-II型：電子和空穴會自動分離到異質結的兩側，這種空間分離特性是制造高效率太陽能電池和光電探測器的理想選擇，能有效避免它們過早復合，從而產生更強大的光電流。

圖2.(a,b) I型和Ⅱ型異質結前線軌道能級排列示意圖，(c-f) COFs和MoS2接觸前后能級排列圖

通過先進的密度泛函理論（DFT）計算，研究團隊揭示了有趣的現象：

當使用Sq-R時，形成的 Sq-R/MoS2異質結 表現為 Type-I型能帶結構。這意味著，激發產生的電子和空穴（帶正電的“空位”）都會被限制在Sq-R這一區域。這種特性非常適合制造發光二極管（LED）和激光器，因為它能將能量集中、高效地產生光子。

當使用Ho-R時，形成的 Ho-R/MoS2異質結 則表現為 Type-II型 能帶結構。在此結構中，電子傾向于躍遷到MoS2層，而空穴則留在Ho-R層，實現了電子和空穴的空間分離。這種自動分離電荷的能力有利于制造高效太陽能電池和光催化器件。

圖3.DFT/PBE-D3方法計算獲得的Sq-R/MoS2和Ho-R/MoS2vdWHs的局域電荷密度分布圖（i-l）。局域電荷密度分布圖中等值面值設置分別為Sq-R/MoS2為3×10?5 |e|/bohr3，Ho-R/MoS2 vdWHs為1×10?5 |e|/bohr3

這項研究完美地印證了諾貝爾物理學獎得主赫伯特·克羅默的名言：“界面即器件”。相對于其它傳統的二維異質結材料，COFs/MoS2異質結層間vdWs弱相互作用在最大程度保留COFs和MoS2自身優異的半導體光電性能的同時，還可以通過COFs結構單元合理選擇，有效調控異質結的界面能級排列方式。這為有機/無機vdWHs材料的光電性的優化能提供了理想的平臺，也將促進其在光電功能器件中的實際應用。

文章信息

徐雅, 畢延超, 魏偉強, 王子涵, 李鑫霞, 張立勝*, 李慧芳*. COFs/MoS2范德華異質結界面電子結構解析. 科學通報, 2025

doi: 10.1360/CSB-2025-5290

https://doi.org/10.1360/CSB-2025-5290

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