Giant bulk photovoltaic effect driven by interfacial symmetry breaking in MoS2/Ta2NiSe5 heterostructures

阳光照射在太阳能电池上通常需要一个“推力”才能让电流流动。在大多数太阳能电池板中，光线将电子撞击脱离，但这些电子会漫无目的地游走，直到一个由两种不同材料结合而成的内置电场迫使它们向一个方向移动。这就是标准太阳能电池的工作方式，它需要一种特定的内部架构才能发挥功能。然而，大自然提供了一种更奇特、不同的从光中产生能量的方式，这种方式不依赖于这种通常的材料分离。在某些缺乏中心对称性的晶体中，光可以直接将电子向特定方向推动，而无需任何外部帮助或内部结。这种被称为体光伏效应（bulk photovoltaic effect）的现象，长期以来一直是一个理论上的好奇点，也是一条实现更高效能量采集的潜在路径，但由于它通常只出现在极少数稀有且复杂的材料中，因此一直难以利用。

科学家面临的挑战在于寻找一种既容易操作，又能准确理解其发生机制的材料。当研究人员尝试通过将不同的薄层材料堆叠在一起来构建这些效应时，过程往往会变得混乱不堪。这些层以多种方式相互作用——在它们之间转移电子、改变它们的内部结构并产生自身的电场——以至于变得无法分辨系统的哪一部分实际上是在产生能量，而哪一部分仅仅是在阻碍过程。为了解决这个难题，一个研究小组开发了一种新的方法，将两种特定的材料——二硫化钼和钽镍硒——以十字形图案进行堆叠。通过这样做，他们创造了一个无需电池或外部电压即可从光中产生巨大电流涌浪的器件，并且他们成功地分离了其中起作用的不同物理力量，从而理解了其运作的精确原理。

研究人员从两种截然不同的材料开始。一种是二硫化钼，它是一种对称且稳定的六角形薄片。另一种是钽镍硒，这是一种具有链状结构的材料，导电性好且具有很强的方向性，这意味着它的特性取决于观察的方向。当他们将第一种材料的薄片直接放在第二种材料之上时，顶层材料的存在打破了底层材料完美的对称性。想象一下，将一块正方形瓷砖放在一张圆桌上；两者的结合创造了一个不再是完美圆形的形状。在这种情况下，堆叠破坏了底层材料的内部平衡，在两者接触的界面处创造了一个全新的、不均匀的电场景观。这种对称性的破缺是无需外部推力即可直接从光中产生直流电的关键。

为了验证这种新排列是否真的有效，团队构建了一个呈十字形形状的器件。他们先铺设了一条底层材料的条带，然后将一条顶层材料的条带横跨其上，形成了一个小的重叠正方形。这种特定的形状至关重要，因为它允许他们分别测量沿顶层条带流动的电流和沿底层条带流动的电流。当他们用红色的激光束照射重叠部分的中心时，立即出现了强烈的电流，电流沿着顶层条带流动，尽管没有连接电池。他们测得的电压很小，但电流密度却极大，达到了每平方厘米247安培。这一性能足以与成熟的范德华材料相媲美，代表了此类效应的一项重大成就。

随后，团队必须证明这种电流来自于界面处独特的对称性破缺，而不是来自其他常见原因，例如接触材料的金属导线或简单的加热效应。他们使用微小的聚焦激光点扫描器件，在表面移动，以绘制出电流产生的精确位置图。结果显示，能量仅在两种材料重叠的小方块区域产生。在材料单独存在或金属导线接触边缘的区域，并未产生此类信号。这证实了该效应严格发生在两层之间的边界处，是由它们的原子结构相互作用驱动的。此外，他们使用不同颜色的光进行了测试，发现该器件仅在底层材料可以吸收的光线下工作，从而排除了其他潜在机制。

这项发现的一个重要部分是理解两种不同的力量是如何协同作用使效应如此强大的。首先，对称性的破缺为电子创造了一个直接的推力。其次，由于这两种材料具有不同的天然电学特性，当它们被堆叠时，电子会自发地从底层跳跃到顶层。这产生了一个内置电场，其作用类似于一个隐藏的电池，有助于分离并引导由光产生的电子。研究人员表明，他们可以控制这两种力量。通过对器件下方的硅基底施加电压，他们可以改变底层可用的电子数量。通过在两层之间施加电压，他们可以增强或削弱内置电场。当他们同时调节这两个控制变量时，产生的电流比未施加额外电压时增加了十倍以上。

这项工作表明，通过仔细选择材料并设计器件形状，科学家可以将复杂的相互作用转化为清晰、强大的能量来源。研究人员证明了他们观察到的巨大电流涌浪并非偶然现象或单一因素的结果，而是对称性破缺与电荷转移精确结合的结果。他们排除了效应源于器件边缘或金属接触点的观点，证明了该现象的核心在于两层之间的微观界面。这些发现表明，这种方法可以用于设计新一代自供电电子设备，使其能够从光中采集能量，而无需传统太阳能电池中那种笨重的结结构。通过证明这些效应是可以调节和放大的，这项研究为创造灵活、高效且高灵敏度的光探测器及能量采集器开辟了一条道路，这些设备可以集成到各种未来的技术中。