无掩膜直写光刻系统再发Nat. Commun.！强体致光伏效应取得重要成果
发布日期：2023-08-08
论文题目：Strong bulk photovoltaic effect in engineered edge-embedded van der Waals structures
发表期刊：Nature communications. IF:17.69
DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-023-39995-0
研究背景
光能到电能的有效转换是绿色能源领域的核心问题。基于p-n结的内建电场或光-热电效应的非本征光伏效应已经被学界广泛地研究了几十年，相应器件的光电转换率已达到理论极限。体致发光效应（本征光电效应）不依赖于外在电场和热场梯度，理论上其能量转换效率可以超过PN结的Shockley-Quiesser极限。
成果介绍
近日，南方科技大学与南京工业大学强强联合，通过构建具有低对称度的范德华包覆式纳米边缘结构，观察到了强体致发光效应。该工作与以往的相关工作相比有两个明显的特点。第一，其提出的包覆式纳米边缘结构，可以使用不同的范德华材料进行搭建。第二，通过对称分析发现，通过包覆式纳米边缘结构所获得的光致电流，在样品的左边和右边有不同极性。这一点与非本征光伏效应所产生的电流有显著的不同。该工作以Strong bulk photovoltaic effect in engineered edge-embedded van der Waals structures为题，于2023年7月在SCI期刊Nature communication上发表。
值得注意的是，本文中ReS2/ReS2、MoS2/MoS2及WS2/ReS2等全部器件均使用小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3制备。该设备全自动控制、结构小巧紧凑(70cm x 70cm x 70cm)、无需掩膜版、高直写速度及高分辨率等特点，为本实验提供了方便高效的器件加工方案。
小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3
图文导读
图1. 包覆式纳米边缘结构示意图。（a）ReS2的STEM表征结果和晶格示意图（b）在基底上无包覆结构。（c）形成包覆纳米边缘结构。（d）包覆式纳米边缘结构左右两侧示意图。
图2. （a）由ReS2/ReS2所构成器件的光学照片。（b）器件结构示意图。（c）-（f）包覆式纳米边缘结构的STEM表征结果。
图3. 线性偏振相关光电流测量。（a）通过MicroWirter ML3所制备的ReS2/ReS2器件的光学照片。（b）-（d）在（a）图中不同点的测量的偏振相关光电流结果。
图4. 范德华异质和同质结构器件的表征结果。（a）利用MicroWirter ML3所制备的由MoS2/MoS2所组成器件的光学照片，（b）相对应的在包覆式纳米边缘左右两边所测量的光电流大小，（c）归一化的体致光伏电流强度，和（d）边缘部分和非边缘部分不同方向上的光电流大小的变化。（e）WS2/ReS2异质结构光学器件的光学照片和（f）相对应的在包覆式纳米边缘左右两边所测量的光电流大小。
图5. 通过MicroWirter ML3所制备的hBN/ReS2和ReS2/hBN异质结构器件。（a）ReS2/hBN结构器件的光学照片和（b）相对应的光电流大小。（c）hBN/ReS2器件的光学照片和（e）相对应的光电流大小测量结果。
结论
本文设计了一种包覆式纳米边缘结构，该结构具有低几何对称性和明显的局部特性。一方面，该结构可沿y方向观察到可检测的体致光伏效应光电流；另一方面，其满足观测强体致光伏效应的所有优点，包括半导体性质、低维度和强对称性破缺。这些观察结果在不同的同质和异质结中都是可重复的。在本研究中，为了测量体致光伏特性，在整个器件制备过程中，小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3的精准套刻功能和虚拟掩膜系统，为论文中器件的制备起到了保驾护航的作用。
精准套刻功能：
MicroWriter ML3具有标记物自动识别功能，通过点击“Bulls-Eye”按钮，系统自动在显微镜图像中识别光刻标记。标记物被识别后，将自动将其移动到显微镜中心位置，方便套刻的实现。MicroWriter ML3的套刻精度可达0.5 μm。
虚拟掩膜功能：
MicroWriter ML3配有虚拟掩膜软件，可以实时显微观测基体表面，并显示预直写图形位置。通过调整位置、角度，直到设计图形按要求与已有结构重合，保证直写准确度。
