一维范德华晶界中的巨大体光伏效应！台式无掩膜直写光刻系统再登Nature Commun.

论文题目：Giant intrinsic photovoltaic effect in onedimensional van der Waals grain boundaries

发表期刊：Nature Communications IF: 17.65

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-44792-4

【引言】

   光伏效应作为一种重要的绿色环保能源收集手段，已在众多领域得到广泛应用。然而，传统PN结中的光电转换效率受到Shockley-Queisser极限的限制，无法进一步提高。因此，研究者将目光转向了非中心对称材料。在这种材料中，当受到均匀光照，且无外接偏压的条件下，就可以产生直流光电流。这种光电转换现象由于只受到材料本征对称性的影响，被称为材料的本征光电转换效应（IPVE）。由于材料本征的IPVE不受Shockley-Queisser极限的限制，为进一步提高光电转换效率提供了研究思路。

【成果简介】

   2024年2月，南方科技大学相关团队使用小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3在光电转化器件的制备及应用等方面取得重要成果。作者利用ReS₂材料中一维范德华晶界（vdW GBs）制备了基于IPVE效应的光电转换器件。根据实验测量结果，所制备出的光电转换器件具有同类器件中最高的IPVE效率。此外，研究发现利用不受极化影响的门电极可对vdW GBs的IPVE转换效率进行调节，更有利于能量的收集。相关工作以《Giant intrinsic photovoltaic effect in onedimensional van der Waals grain boundaries》为题，在SCI期刊《Nature Communications》上发表。

   文中使用的小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3克服了传统光刻工艺中需要掩膜版的难题，通过电脑控制DMD微镜矩阵开关，经过光学系统调制，直接在光刻胶上曝光绘出所要的图案。与此同时，该设备还具备结构紧凑（70cm X 70cm X 70cm）、直写速度高，高分辨率（XY：<1 μm）等特点。采用集成化设计，全自动控制，可靠性高，操作简便。凭借这些优势，MicroWriter ML3为本研究光电器件的成功制备提供了关键技术支持。

   图1. 小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3

【图文导读】

   图2. ReS₂材料中vdW GBs的表征。（a）ReS₂材料的STEM和HAADF表征结果。（b）ReS₂材料中晶界的STEM和HAADF表征结果。（c）材料晶界附近的顶视示意图。（d）和（e）材料极化和非极化条件下的光学表征结果。（f）材料的极化拉曼表征结果。

   图3. 在ReS₂晶界的IPVE效应。（a）利用MicroWriter ML3无掩模光刻机制备的光电转换器件。（b）沿y方向光电流在材料不同位置的测量。（c）扫描光电光谱仪对材料光电流的表征结果。（d）沿x方向光电流在材料不同位置的测量。(e)在晶界处的极化分辨光电流。(f)极化独立项的空间分布。

   图4. 通过调节电压实现对ReS₂的IPVE转换效率的调节。（a）利用MicroWriter ML3制备的光电转换器件。（b）在不同电压下，IPVE效应所产生的光电流对应的值。

   图5. 论文Supplementary Information中利用MicroWriter无掩模光刻机的所制备的光电器件。

【结论】

论文中，南方科技大学相关团队利用小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3制备了基于ReS₂一维vdW GBs的光电转换器件。由于该器件利用了IPVE效应，突破了传统PN结中的Shockley-Queisser光电转换极限。与同类器件相比，论文中所制备出的光电转换效率也处于优异水平。该工作不仅制备出高转换效率的光电器件，还为光电转换效率的提高打下坚实的理论基础。从论文中还可以看出，MicroWriter ML3无掩模光刻机得益于其强大的光刻和套刻能力，可以十分方便地实现实验中所设计图形的曝光，是各学科科研中制备各类微纳器件的得力助手。