二维材料与量子点的结合为高性能光电器件的研发开辟了新方向。其中，以Si/SiO₂为衬底、二硫化钼（MoS₂）与量子点（QDs）构建的异质结体系，凭借其能带结构、高载流子迁移率和良好的光电响应特性，在光电探测、光伏发电和光催化等领域展现出潜力。

一、材料体系选择

1. Si/SiO₂衬底硅（Si）

作为半导体行业的基石，其成熟的加工工艺与高载流子迁移率（μₙ≈1400 cm²/V·s）为器件集成提供了坚实基础。而二氧化硅（SiO₂）作为绝缘层，不仅可有效抑制漏电流，还能通过表面修饰调控界面能带结构。

2. 二硫化钼（MoS₂）

MoS₂作为典型的过渡金属硫化物（TMDs），具有以下核心优势：

层数依赖的能带结构：单层MoS₂为直接带隙半导体，而块体材料为间接带隙。这一特性使其在可见光至近红外区域具有强光吸收能力，适合作为光吸收层。

高载流子迁移率：单层MoS₂的电子迁移率高，远高于传统半导体，可实现快速电荷传输。

表面可修饰性：MoS₂的硫空位（S vacancies）可作为活性位点，通过化学掺杂（如氮、磷掺杂）或功能分子（如卟啉、富勒烯）修饰，进一步调控其光电性能。

3. 量子点（QDs）

量子点（如CdSe、PbS、CsPbBr₃）的尺寸效应（量子限域效应）使其带隙可随粒径变化（如CdSe QDs的带隙可调节，从而实现对光吸收范围的准确控制。此外，量子点的以下特性使其成为异质结的理想组分

高消光系数：量子点的消光系数（ε）高，明显提升了光吸收效率。

多激子生成效应（MEG）：在高能光子激发下，单个量子点可生成多个电子-空穴对，理论上可突破Shockley-Queisser极限，提升光伏转换效率。

表面配体工程：通过更换表面配体（如油酸、硫醇），可调控量子点的溶解性、电荷传输性能及与MoS₂的界面接触。

二、异质结构筑

1. 层状堆叠策略

MoS₂/QDs异质结的构建通常采用“自下而上”的层状堆叠方法：

机械剥离法：通过胶带剥离获得单层MoS₂，转移至Si/SiO₂衬底后，再通过旋涂或滴涂法沉积量子点溶液。此方法操作简单，但量子点分布均匀性较差。

化学气相沉积（CVD）法：在Si/SiO₂衬底上直接生长MoS₂薄膜，随后通过气相沉积或溶液法沉积量子点。CVD法可实现大面积均匀生长，但设备成本较高。

界面修饰增强结合：在MoS₂表面修饰硫醇配体（如1,6-己二硫醇），通过硫-金属键与量子点表面配体（如Cd-S）形成化学键合，提升异质结的界面稳定性与电荷传输效率。

2. 能带工程

异质结的能带结构直接决定其光电性能。通过理论计算（如密度泛函理论，DFT）与实验表征（如紫外光电子能谱，UPS；开尔文探针力显微镜，KPFM）相结合，可优化MoS₂与QDs的能带匹配：

II型异质结：当MoS₂的导带底（CBM）高于QDs的CBM，且价带顶（VBM）低于QDs的VBM时，光生电子从QDs转移至MoS₂的CBM，空穴则转移至QDs的VBM，实现电荷的空间分离。

3. 缺陷工程

MoS₂中的硫空位（S vacancies）可作为光生载流子的捕获中心，延长载流子寿命（τ）。同时，硫空位可降低量子点与MoS₂的界面势垒，促进电荷转移。实验表明，含硫空位的MoS₂/CdSe QDs异质结在可见光照射下，氢生成速率较无缺陷体系提高。

三、光电协同机制

1. 光吸收增强

宽带吸收：量子点可吸收低能光子（如近红外光），而MoS₂吸收高能光子（如可见光），二者结合可实现400-1600 nm的宽带光吸收，覆盖太阳光谱的主要能量区域。

光场局域化：量子点的表面等离子体共振（SPR）效应可增强MoS₂表面的局域电场，提升光吸收截面。

2. 电荷分离与传输

超快电荷转移：飞秒瞬态吸收光谱（fs-TA）显示，MoS₂/QDs异质结中，光生电子从QDs转移至MoS₂的时间尺度为皮秒（ps）级，远快于载流子复合（纳秒级），确保电荷分离。

低阻界面：通过界面修饰（如插入石墨烯或聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐，PEDOT:PSS）降低界面电阻（R_interface），可进一步提升电荷传输效率。例如，插入单层石墨烯后，异质结的串联电阻降低。

3. 光电响应性能

宽光谱响应：通过组合不同带隙的量子点（如CdSe/CdS核壳结构），可实现从紫外到近红外的全光谱响应，满足多波段探测需求。

自驱动特性：利用MoS₂的整流特性与QDs的光伏效应，可构建自驱动光电探测器，无需外部偏压即可工作，适用于物联网（IoT）等低功耗场景。