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user: 3. 电场调节由TMDCs构成的异质结材料带隙的研究进展 除了研究单个TMDCs材料的特性以外，还可以将两种或者多种几何结构相似、电子能带排布不同的材料，通过范德瓦尔斯相互作用堆叠在一起构建成异质结来调节电子结构特性。实验上，陈鹏等人 [ 5 ] 用h-BN封装TMDCs材料中的WS 2 、WSe 2 以及MoS 2 ，形成h-BN/TMDCs/h-BN范德瓦尔斯异质结。通过两个透明石墨烯电极对该异质结施加垂直外电场，研究在外电场作用下单层和双层WS 2 、WSe 2 以及MoS 2 的能带变化。他们发现外电场对WS 2 、WSe 2 、MoS 2 单层结构的影响可以忽略不计。而比较WS 2 、WSe 2 、MoS 2 双层结构巨斯塔克效应系数(带隙随外电场线性变化曲线的斜率)，发现外电场对双层WSe 2 的间接带隙可调性要大于双层WS 2 和MoS 2 。他们认为带隙可调性的差异可能是因为：1) 带隙特性与层间间距有关，硫族元素中Se比S更重，从而具有更大的层间距；2) 当电荷从硫族元素转移至金属元素时，较重的Se元素比S元素有更大电荷转移能力，从而使得带隙对外电场的响应增加；3) 初始边界轨道排布的差别可能导致不同程度的外电场响应。 理论上，卢宁等人 [ 6 ] 针对过渡金属元素Mo，Cr，W，选取TMDCs材料中MoS 2 与MX 2 (M = Mo，Cr，W；X = S，Se)构建双层异质结MX 2 /MoS 2 ，研究发现在这五种双层异质结中除了WSe 2 /MoS 2 表现为直接带隙，其余均为间接带隙半导体。并且他们通过第一性原理计算研究了这些双层异质结在垂直正向外电场0~0.6 V/Å作用下的带隙特性。在垂直正向外电场的作用下，这些异质结的带隙值均有降低，其中双层异质结CrSe 2 /MoS 2 、MoSe 2 /MoS 2 的自旋极化特性增强，从而导致材料由间接带隙转变为直接带隙；WS 2 /MoS 2 和CrS 2 /MoS 2 在电场升高到0.6 V/Å时仍为间接带隙；而WSe 2 /MoS 2 始终保持直接带隙的特性。研究表明外电场不仅可以调控双层TMDCs异质结的带隙，而且会引起半导体间接–直接带隙的转变，有利于在光电领域的应用。此外，薛小平等人 [ 7 ] 针对过渡金属元素Ta，构建了范德瓦尔斯异质结TaS 2 /TaSe 2 和TaSe 2 /TaTe 2 ，他们发现由于Ta元素的d轨道穿过费米能级，这两种异质结都呈金属性。同样他们通过第一性原理计算研究了这两种异质结在外电场−0.5到0.5 V/Å作用下的带隙特性。在外电场的作用下，异质结TaS 2 /TaSe 2 的带隙并未发生太大改变，但是在负向外电场−0.1 V/Å下出现自旋劈裂特性，并且自旋劈裂随负向外电场的增大而逐渐减小；相反，当正向外电场从0.1增大到0.3 V/Å时，自旋劈裂缓慢增加。而异质结TaSe 2 /TaTe 2 在外电场作用下带隙发生改变，从金属转变为0.69 eV间接带隙的半导体(0.3 V/Å电场下)。说明外电场可以有效地调控异质结的带隙特性和自旋特性，为纳米电子器件的研制提供更有意义的依据。 除了上述两种或者多种过渡金属硫化物构成的异质结，过渡金属硫化物与由BNC组成的二维层状纳米材料也可以构成异质结，并且这类异质结具有优异的物理化学特性。例如二维石墨相氮化碳(g-C 3 N 4 )具有良好的化学稳定性和光催化性能，可用于H 2 O分解制H 2 和O 2 以及降解有机污染物。但是g-C 3 N 4 的可见光响应范围较窄，光吸收系数较低，光生电子–空穴对分离能力较弱，这些缺点极大地阻碍了光催化性能的提高。通过浸渍和煅烧等方法，MoS 2 /g-C 3 N 4 、g-C 3 N 4 /WS 2 等二维异质结成功合成 [ 8 ]，结合罗丹明(RHB)和甲基橙(MO)的光降解机制，表明二维异质结可以有效地增强可见光活性，同时它的电子性质和光学性质要优于单层结构。叶嘉欣等人 [ 9 ] 发现异质结g-C 3 N 4 /WSe 2 具有1.395 eV的直接带隙(不考虑自旋轨道耦合)，要低于g-C 3 N 4 单分子层的带隙值2.118eV和WSe 2 单分子层的带隙值1.544 eV，且紫外可见光利用率高于两个单分子层，但是I型的能带排布阻碍了光生电子–空穴对的有效分离，导致了电子与空穴的高复合率。因此他们通过施加−0.6到0.6 V/Å的垂直外电场调控异质结g-C 3 N 4 /WSe 2 的带隙特性。在电场调控研究中发现，高于0.4 V/Å以及低于−0.4 V/Å的电场可以实现g-C 3 N 4 /WSe 2 异质结带隙值的降低，并且能带排列从I型向II型过渡，可以有效地实现光生电子–空穴对的分离。另外，他们发现在正向外电场作用下，WSe 2 和g-C 3 N 4 层分别有电子耗竭和电子积聚的趋势，而g-C 3 N 4 /WSe 2 异质结的界面区电子从WSe 2 层向g-C 3 N 4 层的转移明显增加；相反，在负向外电场作用下，g-C 3 N 4 /WSe 2 异质结的界面区电子从g-C 3 N 4 层向WSe 2 层的转移明显增加，说明外电场还可以有效地调节g-C 3 N 4 /WSe 2 异质结层间耦合和电荷转移。 一种新型的类石墨烯g-C 2 N具有sp 2 特性，带隙为1.66 eV。实验上通过化学沉积法已经成功合成异质结g-C 2 N/XSe 2 (X = Mo，W) [ 10 ]，理论上Z. D. Zheng等人 [ 11 ] 将5 × 5 × 1扩胞后的XSe 2 (X = Mo，W)与2 × 2 × 1扩胞后的g-C 2 N建立异质结，晶格失配分别低至1.3%、1.5%，研究了外电场对异质结g-C 2 N/XSe 2 (X = Mo， W)电子结构的影响。异质结g-C 2 N/MoSe 2 在−0.1、0、0.1、0.2、0.3 V/Å的外电场下始终表现为间接带隙特性，并且带隙值随外电场的正向增大而线性降低，分别为0.66、0.54、0.45、0.39、0.34 eV。而异质结g-C 2 N/WSe 2 在−0.1、0、0.1、0.2、0.3 V/Å的外电场下带隙分别为0.32、0.26、0.19、0.12、0.06 eV，其中在−0.1、0 V/Å的电场下表现为间接带隙；而在0.1~0.3 V/Å的电场作用下，价带穿过费米能级，异质结表现为p型半导体。这两种异质结在费米能级附近的导带主要来源于单层g-C 2 N，而价带主要来源于过渡金属硫化物XSe 2 (X = Mo，W)。 A. Bafekry等人 [ 12 ] 选取了化学计量比的BC 3 和C 3 N以及C 3 N 4 这三种二维层状纳米材料，与二维过渡金属硫化物MoS 2 通过范德瓦尔斯相互作用构建了异质结MoS 2 /BC 3 、MoS 2 /C 3 N和MoS 2 /C 3 N 4 ，发现异质结MoS 2 /BC 3 和MoS 2 /C 3 N 4 属于直接带隙半导体，带隙值分别为0.4、1.74 eV，而MoS 2 /C 3 N导带与价带杂糅在一起，表现为金属特性。并且他们通过第一性原理计算研究了异质结MoS 2 /BC 3 、MoS 2 /C 3 N和MoS 2 /C 3 N 4 在垂直外电场−1.0到1.0 V/Å作用下的带隙特性。研究结果发现随着正向、负向外电场的增加，MoS 2 /BC 3 的带隙显著减小，当外电场增大到+0.4 V/Å和−0.6 V/Å时MoS 2 /BC 3 发生半导体–金属的转变；同样MoS 2 /C 3 N 4 的带隙值也随着外电场的增加而减小，当外电场大于+1.0V/Å和−1.0 V/Å时MoS 2 /C 3 N 4 发生半导体–金属的转变；不同的是对金属异质结MoS 2 /C 3 N施加负向外电场能够打开带隙，当外电场增加为−0.8 V/Å时带隙增大为0.42 eV，并且外电场在−0.8到−1.2 V/Å之间带隙值始终保持为0.42 eV。因此，外电场可以有效地调控过渡金属硫化物与由BNC组成的二维层状材料构成异质结的带隙特性，从而可以有效地应用于纳米电子、自旋电子和光电器件。 当然，过渡金属硫化物与石墨烯等经典的二维材料也可以构成异质结，例如Ga 2 SSe作为一种新型的二维材料，具有较大的Rashba自旋劈裂特性和面内压电特性，在自旋电子学和电子学领域具有广阔的应用前景。最近Hong T. T. Nguyen等人 [ 13 ] 计算研究了金属/半导体异质结中石墨烯/Ga 2 SSe在垂直外电场−0.3到0.3 V/Å作用下的带隙特性。研究表明，随着负向电场的增加，费米能级靠近价带，逐渐形成P型肖特基接触；随着正向电场的增加，费米能级靠近导带，逐渐形成N型肖特基接触，有利于在高电子和光学性能的可控肖特基纳米器件上的应用。