[論文レビュー] Two-dimensional Janus van der Waals heterojunctions: a review of recent research progresses

Lin Ju, Mei Bie+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2020

2D Materials and Applications参考文献 97被引用数 5

ひとこと要約

本レビューは、最近の2次元ジャンス・ファンデルワールスヘテロジャンクション分野の進展を統合し、内在的分極および層間結合のおかげで、調整可能な電子構造、広範な光吸収、制御可能な接触抵抗を特徴とする。本研究は、次世代エレクトロニクスおよびエネルギー変換デバイスにおけるその可能性を強調し、基本的性質および今後の研究方向性について包括的な概説を提供する。

ABSTRACT

Two-dimensional Janus van der Waals (vdW) heterojunctions, referring to the junction containing at least one Janus material, are found to exhibit tuneable electronic structures, wide light adsorption spectra, controllable contact resistance, and sufficient redox potential due to the intrinsic polarization and unique interlayer coupling. These novel structures and properties are promising for the potential applications in electronics and energy conversion devices. To provide a comprehensive picture about the research progress and guide the following investigations, here we summarize their fundamental properties of different types of two-dimensional Janus vdW heterostructures including electronic structure, interface contact and optical properties, and discuss the potential applications in electronics and energy conversion devices. The further challenges and possible research directions of the novel heterojunctions are discussed at the end of this review.

研究の動機と目的

• 2次元ジャンス・ファンデルワールスヘテロジャンクションに関する最近の研究を包括的に統合すること。
• これらのヘテロ構造の基本的性質、特に電子構造、界面接触、光学応答を分析すること。
• エレクトロニクスおよびエネルギー変換デバイスにおける応用可能性を評価すること。
• 分野における主な課題を特定し、今後の研究方向性を提案すること。

提案手法

• 2次元ジャンス材料およびそのファンデルワールスヘテロジャンクションに関する最近の実験的および理論的研究の体系的レビュー。
• ジャンスヘテロ構造における内在的分極効果および層間結合メカニズムの分析。
• 第一原理計算を用いた電子バンド構造、電荷移動、界面接触抵抗の評価。
• 可視光から赤外線までの波長範囲における光学吸収スペクトルおよび光吸収能力の評価。
• エネルギー変換応用のための酸化還元ポテンシャルおよび表面反応性に関する知見の統合。
• 現在の制限および材料安定性の問題を批判的に分析し、未解決の課題を同定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ジャンス材料に内在する分極が、2次元ファンデルワールスヘテロジャンクションの電子的および光学的性質にどのように影響を与えるか？
• RQ2 これらのヘテロ構造における界面接触抵抗および電荷移動を支配する主な要因は何か？
• RQ3 ジャンスvdWヘテロジャンクションでは、バンド構造および光吸収スペクトルをどの程度まで調整可能か？
• RQ4 これらの系で効率的な電荷分離および酸化還元活性を可能にする支配的メカニズムは何か？
• RQ5 エレクトロニクスおよびエネルギーデバイスにおける実用的応用を阻害する主な科学的・技術的課題は何か？

主な発見

• 2次元ジャンス・ファンデルワールスヘテロジャンクションは、垂直方向の内在的分極のおかげで調整可能な電子構造を示す。
• これらのヘテロ構造は、可視光から赤外線までの広範な波長域にわたり広範な光吸収を示し、広帯域のオプトエレクトロニクス応用が可能である。
• 層間結合および界面デュープールモーメントの設計によって、接触抵抗を制御可能にしている。
• 内在的分極の存在により十分な酸化還元ポテンシャルが得られ、光触媒的エネルギー変換において有望である。
• 積層順序および材料選択によって、界面電荷移動およびバンドマッチングを正確に制御できる。
• 本レビューでは、大気中での安定性およびスケーラブルな合成が、今後の開発における主な課題として同定された。