《Journal of Alloys and Compounds》：Band alignment at tellurium/MoS
2 van der Waals heterojunction revealed by X-ray photoelectron spectroscopy
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通过X射线光电子能谱(XPS)分析证实了Te/MoS2范德华异质结存在staggered type-II带对齐，价带偏移0.43±0.05 eV，导带偏移0.1±0.05 eV，为自供电光电探测器设计提供定量参数。
作者：Ha-Eun Dang、Janggeun Shin、Tae In Kim、Ick-Joon Park
韩国仁川市仁荷大学电气与电子工程学院，半导体融合项目，邮编22212
摘要
理解界面能带对齐对于阐明电荷传输动力学和指导基于异质结的光电应用设计至关重要。二维范德华半导体由于其原子级锐利的界面和降低的维度，为工程化界面电子结构提供了独特的机会。在本研究中，我们系统地研究了碲/二硫化钼（MoS?）范德华异质结的界面能带对齐情况。通过X射线衍射分析和拉曼光谱分析分别确认了碲和MoS?的晶体结构及其振动特性。利用高分辨率X射线光电子能谱（XPS）并通过Kraut方法定量确定了价带偏移。分析结果显示，碲/MoS?界面处存在II型能带对齐，价带偏移为（0.43 ± 0.05 eV），导带偏移为（0.1 ± 0.05 eV），并伴随着明显的核心能级位移，这表明了界面能带的弯曲和电荷重新分布。实验得到的能带偏移直接揭示了载流子在异质界面上的分离和传输行为，并为光电异质结构的设计提供了定量参数。这些结果将碲/MoS?异质结确立为一个用于研究界面能带对齐的理想模型系统，并强调了基于XPS的能带偏移分析在理解和工程化范德华异质界面中的关键作用。
引言
随着半导体器件的物理尺寸进入纳米尺度范围，诸如载流子迁移率下降、漏电流增加以及静态功耗升高等关键挑战已成为主要障碍。这些限制要求探索创新架构和新材料，以维持未来的技术发展[1][2][3][4]。在这方面，低维纳米材料由于其独特的结构和量子特性，具有与传统块体材料不同的物理和化学性质，使其成为扩展摩尔定律的有希望的替代品[5][6][7]。在新兴的解决方案中，范德华层状的二维（2D）半导体因其在先进低功耗、高性能光电和单片集成系统中的理想特性而受到广泛关注。它们原子级薄的几何结构、无悬挂键的表面、卓越的载流子传输特性以及出色的静电可调性，在克服技术瓶颈方面具有显著优势[8][9][10]。2D纳米材料根据其化学键合结构和材料性质，展现出从导体和半导体到绝缘体（如石墨烯[11][12]、过渡金属硫属化合物（TMDCs）[13][14][15]和氮化硼[16]）等多种电学性质。大量研究集中在n型TMDCs上，例如MoSe?、MoS?和InSe，这些材料已被广泛用于多种纳米电子应用[13][14][15][18]，而半金属石墨烯因其可调功函数而被用作接触电极[12]。然而，实现平衡的孔和电子传输对于开发具有快速操作和低功耗的互补逻辑电路至关重要，因此高质量的p型2D半导体对于范德华异质结构器件的重要性不言而喻。
最近，准二维碲作为一种VI族元素半导体，因其出色的空穴迁移率（约103 cm2 V?1 s?1）、快速的光响应和可调的带隙（0.35–1.2 eV）[19][20][21]而备受关注[19][20][21]。块状三角碲由通过弱范德华相互作用结合在一起的独特手性螺旋链组成，并且理论和实验均证实其在费米能级附近存在多个Weyl节点，为拓扑器件应用开辟了新途径[22][23]。基于其半导体、光电导、热电甚至拓扑特性等有趣性质，碲在电子和光电应用中表现出优异的性能[24][25][26]。多种自下而上的合成方法和理论建模的进步使得能够制备碲纳米结构和薄膜，包括低温技术[21][27]、直流溅射[20][26][28]和化学合成[29][30]。然而，大多数现有技术存在生产产量低、成本效率低、工艺复杂或残留前驱体等固有缺点，这些共同限制了碲在光电技术中的实际应用。
另一方面，自上而下的方法（如液相剥离和电化学剥离）已成为通过低温处理和可扩展生产制备高产率碲纳米结构的有前景的策略[22][24]。通过这些策略，碲纳米结构在光电探测器应用中具有巨大潜力，这得益于它们独特的形状依赖性光电特性和碲中对光生载流子的强量子限制[22][25]。然而，关于液相合成碲的光电应用报道较少，特别是在基于2D范德华异质界的p-n异质结光电探测器领域。考虑到预测不同异质结的能带对齐对于构建高性能光电探测器应用至关重要，多个研究团队致力于研究异质界面的能带结构和偏移特性，包括BN/MoS?[16]、MoS?/GO[7]、噻吩基聚合物/ReS?[31]、Al?O?/CuI[32]和β-Ga?O?/ε-Ga?O?[33]。尽管已证明能带偏移工程起着关键作用，但对准二维碲形成的异质结的能带结构进行全面分析仍不足。
在这项工作中，我们展示了一种碲/MoS?范德华异质结。使用高分辨率X射线光电子能谱（XPS）获得了界面能带偏移。通过X射线衍射（XRD）验证了碲和MoS?的结构相，而通过拉曼光谱研究了它们的拉曼振动特性。评估并确认了准二维碲/MoS?界面的导带和价带偏移，证实了II型交错能带对齐的形成。进一步研究了使用碲/MoS?异质结设计的p-n异质结光电探测器，证明了在无外部偏压的情况下照明时能够高效自供电运行。该器件表现出与入射光强度成比例的显著光电流响应，突显了碲和MoS?在先进光电技术中的巨大潜力。因此，这项工作揭示了能带偏移工程的关键作用以及碲/MoS?异质结在实现高性能自供电光电探测器应用中的巨大潜力。
碲/MoS?异质结的制备
首先，使用改进的电化学剥离方法制备了碲和MoS?纳米片。将20毫克纯度为99.9999%的碲（Thermo Fisher Scientific）连接到电化学剥离系统的阴极上，阳极为石墨，电解质为80毫克四己基溴化铵（THAB），溶剂为20毫升乙腈。阴极施加-6 V的电压持续20分钟，同时保持阳极和阴极之间1厘米的距离。
结果与讨论
图1a-b分别展示了准二维碲和MoS?的示意图。准二维碲具有六角形晶体结构，由通过范德华相互作用结合的独特三角形螺旋碲原子链组成[19][20]。单层MoS?由位于两个硫层之间的钼层组成，形成了具有六角对称性的过渡金属原子的三角棱柱形配位[14][16]。这些2D层
结论
在本研究中，我们展示了碲/MoS?范德华异质结，并通过高分辨率XPS分析获得了该异质结的能带偏移。分别使用拉曼光谱和XRD研究了碲和MoS?的拉曼特性和晶体结构。结果显示，碲/MoS?范德华异质结的CBO（导带底部）和VBO（价带顶部）分别为0.1 ± 0.05 eV和0.43 ± 0.05 eV，证实了II型交错能带对齐。
CRediT作者贡献声明
Ick-Joon Park：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、项目管理、概念构思。
Janggeun Shin：软件开发、数据分析、正式分析、数据管理。
Tae In Kim：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、监督、项目管理、资金获取、概念构思。
Ha-Eun Dang：方法研究、数据分析、正式分析、数据管理、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）（由韩国政府资助，项目编号：RS-2025–16072898）和韩国基础科学研究所（由教育部资助，项目编号：RS-2022-NF000904）的支持。此外，该研究还得到了仁荷大学的研究资助。Ick-Joon Park的研究还得到了韩松大学的财政支持。
