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发光学报|二维材料及其异质结构中载流子动力学过程研究进展

2023-09-29 17:27

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

▍导读

在二维材料及其异质结构的研究中，光生载流子的动力学过程是一个重要的物理过程。光所激发的电子和空穴在二维材料中的热化、能量弛豫、激子形成、激子复合、激子空间输运等过程，对二维材料的光电性质具有重要的影响。而在二维材料异质结构中，电荷及能量的层间转移和层间激子的形成及其动力学过程，对这些异质结构光电性质的整合具有重要作用。

近日，北京交通大学王永生教授等在《发光学报》（EI、Scopus、核心期刊）发表了题为“二维材料及其异质结构中载流子动力学过程研究进展”的综述文章。

该文章梳理了近年来二维材料及其异质结构中光生载流子动力学过程的研究进展。在时域动力学方面，介绍了利用基于超快激光的瞬态吸收光谱技术所揭示的二维材料中的载流子热化、能量驰豫、激子形成、激子-激子湮灭、以及激子复合等物理过程。在空域动力学方面，讨论了利用具有高空间分辨率的瞬态吸收显微技术来研究光生载流子在二维材料平面内的输运过程。在此基础上，进一步讨论了在二维材料异质结构中的电荷及能量在层间转移的过程。

瞬态吸收显微技术的实验装置如图1所示。激光系统可包括飞秒激光器和波长转换装置，如参量放大器、参量振荡器、倍频器、和频器等。激光系统所输出的泵浦光被斩波器调制后，经分波片反射而进入显微镜物镜，并聚焦到样品表面。一般可实现的激光光斑尺寸为微米量级。探测光通过光延迟线来调节其脉冲相对于泵浦脉冲的时间（即探测脉冲延迟），而后经分波片与泵浦光重合并同时聚焦到样品。样品反射的探测光和泵浦光透过两个分波片，并由另一个分波片反射到一个成像装置，用于监测样品及光斑聚焦情况。透过这个分波片的部分，通过滤色片滤掉其中的泵浦光成分后，聚焦到光探测器。其输出的电信号由锁相放大器测量。由于泵浦光被斩波器以特定频率调制，锁相放大器所探测到的在调制频率的电信号正比于微分反射率。如果样品和衬底透光，同样的装置可以通过收集和探测透射的探测光来测量微分透射率。

图1：瞬态吸收显微实验装置示意图

▍时域动力学过程

在时域动力学方面，实验表明，在大多数已研究的二维半导体中，载流子的热化、能量弛豫以及激子形成过程均显著快于传统的三维体材料。同时超快的载流子能量弛豫过程这一结果揭示了载流子与声子的相互作用在二维材料中也得到了增强。这一现象可被归结为介电屏蔽效应减弱所造成的库伦相互作用的增强。更为突出的是，在二维半导体中激子-激子湮灭效应明显。如通过测量单层二硒化钼瞬态吸收信号的衰减随注入激子密度的变化关系，观测到激子-激子湮灭过程并测定其湮没系数为0.33 cm²/s左右。激子动力学的最后一个过程为激子复合，瞬态吸收信号的衰减（即激子浓度的降低）一般取决于激子的无辐射复合寿命。由于这一过程决定了激子的寿命，它对二维材料的光电性能有重要的影响。例如，在光探测和光伏器件中，激子的寿命直接决定了器件的探测能力和光电转换效率。因此，优化和调控激子复合过程具有重要的意义。

▍空域动力学过程

在空域动力学方面，利用瞬态吸收显微技术，通过激光光斑的空间扫描，可用于测量载流子在二维材料中的扩散系数。在这类实验中，利用聚焦的泵浦光斑，可以将载流子注入到样品的特定位置。图2（a）为通过沿黑磷晶体的扶手椅方向扫描探测光斑并扫描其时间延迟，获得了时空分辨的微分反射率信号。图2（b）为在不同时刻，载流子分布均为高斯函数。图2（c）为通过高斯拟合，得到载流子分布全宽度随时间的变化关系。通过线性拟合，得到了载流子沿扶手椅方向的扩散系数为1 300 cm²/s左右。类似技术已被用于测量其它二维半导体材料中载流子的扩散系数，包括二硫化钼，二硫化钨，二硒化钼，二硒化钨，二碲化钼，硒氧化铋，二硒化铂，硫化铜，硫砷锑等。

图2：黑磷中载流子沿扶手椅方向的扩散。（a）时空分辨的微分反射率；（b）载流子浓度在2，10，20 ps时的空间分布；（c）载流子分布宽度的平方随时间的变化。

▍层间电荷及能量转移

由于范德华层间相互作用的特点，任意不同的二维材料均可通过简单堆叠而形成异质结构，从而获得大量的新人工材料。在这类范德华异质结构中，电子在层间的转移对于不同层功能的整合至关重要。当两种二维材料形成异质结构时，依据两种材料的离化能（价带顶离真空能级的距离）和电子亲和能（导带底离真空能级的距离），主要会形成Ⅰ型和Ⅱ型的能带排布。这两类异质结构呈现显著不同的光电性质。在Ⅱ型异质结构中，导带底和价带顶分居两层。因此，电子和空穴倾向通过层间电荷转移过程，分离到两层中。当光激发的材料的导带底高于另一材料时，激发的电子由于能带偏移的驱动，可转移到另一材料，如图3（a）所示。而激发的空穴则留在光激发层，从而实现电子和空穴的分离。而当光激发材料的价带顶低于另一层时，激发的空穴会转移到另一层从而与电子分离，如图3（b）所示。利用瞬态吸收的共振特点，这项技术也可探测范德华异质结构中各层的载流子分布，从而研究电子在这类材料中的层间输运过程。超快的电荷和能量转移过程，为制备多层范德华异质结构奠定了基础。