近年来，第三代半导体材料氧化镓由于其超大的禁带宽度（~4.9 eV）和超高的击穿场强（~8 MV/cm），在深紫外光电器件和高功率器件领域一直受到大家的广泛关注。但是目前实验室制备的氧化镓电子器件性能还远低于其应用需求，主要是由于其较低的载流子迁移率和较强的激子结合能。为了进一步提升氧化镓光电器件的性能，研究者通常通过构建氧化镓/二维材料异质结界面，借助二维材料超高的载流子迁移率和优异的光学吸收来提升氧化镓器件的光电性能，比如目前研究较多的Ga₂O₃/graphene和Ga₂O₃/TMDs异质结构的光电器件，相比较于传统的氧化镓电子器件，其光电响应度有着2~3个数量级的提升。然而，迄今为止应用于氧化镓电子器件的层状二维材料都是具有对称性的非极性材料，仍旧存在一定的层内激子复合，从而降低了载流子寿命和传输性能。西安电子科技大学郝跃院士团队常晶晶教授课题组通过打破传统二维材料的对称性，引入层内本征电场，进一步调控了氧化镓电子器件的界面输运性能，为新型高性能氧化镓光电探测器的设计提供了新的思路和理论指导。

图1.（a）β-Ga₂O₃/J-TMDs异质结和极性Janus-TMDs结构示意图（b）Janus-TMDs静电势分布及其本征电场的定义（c）纯物质β-Ga₂O₃和J-TMDs异质结能带图

研究表明，通过采用对传统过渡金属硫化物（TMDs）进行表面硒化或锑化，不仅能够保持二维材料本身的优异特性，还可以打破其平面镜面对称性，引入层内本征偶极子，进一步降低二维材料层内激子复合，实现电子空穴的分离输运轨道设计。基于密度泛函理论计算，本文首次提出并定义了本征电场的概念，并进一步研究了改变卤素原子和金属原子等不同调控方式对该本征电场大小的影响规律及其内在机理。

图2. （a-g）不同β-Ga₂O₃/J-TMDs异质结投影能带图及其（h）能级对准示意图（Janus-TMDs能级的倾斜表示本征电场的影响）

与传统β-Ga₂O₃/MoS₂范德华异质结类似，β-Ga₂O₃/J-TMDs异质结也表现出范德华力耦合的特点，但是其能带耦合及其能级匹配方式受到Janus-TMDs本征电场的大小和方式的影响。结果表明，当本征电场方向指向异质结界面时，其呈现出type-I能级对准，而在相反的本征电场方向下呈现出type-II能级对准，相比较于type-I型能级对准，type-II型呈现出更强的结构稳定性、更高的界面传输和光吸收效率、以及更低的激子结合能。此外，随着本征电场的增强，这些性能都能够得到进一步的调控和提升。

图3. （a-f）β-Ga₂O₃/J-TMDs异质结分层投影态密度集成及其（g）界面处能级弯曲示意图

内在机理上，作者研究发现，β-Ga₂O₃/J-TMDs异质结的耦合过程，其电子主要堆积在氧化镓表面，导致氧化镓表面能级的下弯。而本征电场的引入，直接影响了氧化镓表面的能级弯曲情况，从而降低了β-Ga₂O₃/J-TMDs界面势垒，提升了载流子在β-Ga₂O₃/J-TMDs界面的传输效率。

图4. （a-f）β-Ga₂O₃/J-TMDs异质结界面的静电势和差分电荷分布图（g-i）β-Ga₂O₃/J-TMDs异质结的界面势垒、遂穿概率和巴德电荷统计图

进一步的，通过对β-Ga₂O₃/J-TMDs异质结界面静电势分布、界面势垒和输运效率等的定量统计，其规律与上述定性分析一致。随着本征电场的增强，β-Ga₂O₃/J-TMDs异质结界面有着更低的遂穿势垒和更高的遂穿概率，而当本征电场指向界面时，其输运特性改善效果更好。

此研究揭示了非对称极性二维材料层内本征电场的存在，显示出在超高速光电探测器中巨大的应用潜力，开启了极性二维材料在宽禁带半导体电子器件中的应用先河，为新型高性能氧化镓光电探测器的设计提供了新的思路和理论指导。

该研究成果以“Tuning the intrinsic electric field of Janus-TMDs to realize high-performance β-Ga₂O₃ device based on β-Ga₂O₃/Janus-TMD heterostructures”为题，以Research Article形式，发表于材料物理类顶刊《Materials Today Physics》(中科院一区，IF：9.298）上。该成果常晶晶教授和苏杰菁英副教授为论文共同通讯作者，袁海东博士为论文第一作者。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国博后科学基金以及西安电子科技大学创新基金等科研项目的资助。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2021.100549

受此启发，作者进一步的探索了这种极性二维材料本征电场在光电器件上的应用普适性。结果表明，本征电场的引入对钙钛矿界面输运特性同样有着明显的改善，进一步证实了该新型设计理念的应用普适性。相关的成果以以“Interfacial Transport Modulation of Lead Halide Perovskite by Intrinsic Potential Difference of Janus TMDs Based on CsPbI₃/J-TMDs Heterojunctions”为题，以Research Article形式受邀发表于Cell旗下第一本综合性子刊《iScience》上。

图5. Janus-TMDs本征电势差对钙钛矿界面输运特性的调控