近年来，二维材料在光学、电子学和磁学等领域展示出卓越的应用潜力。通过将不同类型的二维材料进行垂直堆叠，构建的范德华异质结不仅克服了单一材料的性能局限，还在协同效应调控和整体性能优化方面展现出更广阔的应用前景与可能性。在当前研究的异质结中，石墨烯/二硫化钼异质结整合了石墨烯出色的电荷迁移率和二硫化钼的直接带隙优势。然而，异质结一旦形成，要在纳米尺度上精确调控异质结的界面距离便十分困难。因为材料层总是倾向于保持最低能量的稳定排列，除非借助插层等外部扰动来实现。
近日，柏林自由大学的陈鑫博士团队和Siegfried Eigler 教授以及Beate Paulus 教授合作，通过使用尺寸和电子特性各不相同的官能团对石墨烯底层进行预功能化， 然后组装成异质结，实现了对石墨烯/二硫化钼界面系统、高效地调控。
为了将锚定在石墨烯底层的官能团用作异质结的间隔层，确保官能团的有序均匀分布至关重要。为此，作者采用了温和且可控的光催化高价碘自由基反应，并系统筛选反应条件，从而优化了石墨烯底层的功能化程度和空间分布。原子力显微镜的表征结果显示，随着官能团的增大，这些功能化石墨烯/二硫化钼异质结的层间距离稳定增加，证明了作者方法在层间距离控制上的可靠性。
与原始石墨烯会淬灭二硫化钼的光致发光（PL）信号不同，功能化石墨烯作为底层能够显著增强二硫化钼的PL信号，并且这种增强程度与层间距离呈正相关。
另一方面，DFT 理论模拟结果显示功能化石墨烯能够调控石墨烯与二硫化钼的层间距离，低结合能表明界面间相互作用极弱，二硫化钼几乎呈自由悬浮状态。此外，不同的功能基团通过电荷传递影响二硫化钼的n型或p型掺杂行为（如甲基和叔丁基功能化的石墨烯对二硫化钼表现为n型掺杂，三氟甲基和五氟乙基功能化的石墨烯对二硫化钼则为p型掺杂），进而影响二硫化钼的PL强度。
该工作在纳米尺度上系统地调节了异质结的层间距离，从实验和理论角度证明了通过功能化底层材料灵活控制异质结界面的可行性。该策略不仅适用于半导体/金属界面，还可扩展到其他异质结界面的调控，为定制和改善相应器件的性能提供了一种新的思路。
论文信息
Controllable Graphene/MoS2 Heterointerfaces by Perpendicular Surface Functionalization
Dr. Qing Cao, Jiajun Dai, Zhuting Hao, Prof. Dr. Beate Paulus, Prof. Dr. Siegfried Eigler, Dr. Xin Chen
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202415922
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