二維半導(dǎo)體激子發(fā)光及其異質(zhì)結(jié)層間相互作用的光譜研究.pdf

1、層狀過(guò)渡金屬硫化物是一種新型的二維半導(dǎo)體材料，當(dāng)其厚度減小到原子級(jí)尺度時(shí)，庫(kù)倫屏蔽和量子限域效應(yīng)導(dǎo)致其具有獨(dú)特的電子和光學(xué)性質(zhì)，如間接-直接帶隙的轉(zhuǎn)變、二維激子高效發(fā)光，超快的電荷傳遞、谷電子學(xué)等。雖然只有原子級(jí)厚度，但是在很寬的電磁波譜范圍內(nèi)，它們都與光有著強(qiáng)烈的相互作用。正是由于這些獨(dú)特的物理性質(zhì)和強(qiáng)烈的光與物質(zhì)的相互作用，以過(guò)渡金屬硫化物為代表的新型二維半導(dǎo)體材料不僅為人們研究真實(shí)的二維物理現(xiàn)象提供了優(yōu)良的平臺(tái)，而且在光電器件、光

2、電探測(cè)等眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
　　近些年來(lái)，盡管人們對(duì)過(guò)渡金屬硫化物開(kāi)展了大量的研究，但是其與光相互作用中的許多問(wèn)題，如激子行為、電荷傳遞等的本質(zhì)仍然不清楚。特別是在利用過(guò)渡金屬硫化物構(gòu)筑的原子層異質(zhì)結(jié)中，各種層間耦合作用和界面的載流子動(dòng)力學(xué)過(guò)程直接影響其光電性質(zhì)，決定著器件的性能和應(yīng)用，而對(duì)這些復(fù)雜的層間相互作用和界面電荷傳遞機(jī)制的理解更是缺乏。因此，本文結(jié)合靜態(tài)和瞬態(tài)光譜學(xué)技術(shù)，對(duì)原子層過(guò)渡金屬硫化物中的激子發(fā)光、其與

3、襯底間的相互作用、以及由其構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)中的層間相互作用和界面載流子動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行了深入而系統(tǒng)的研究。論文的具體研究?jī)?nèi)容如下:
　　1.襯底對(duì)單層和少層MoS2發(fā)光性質(zhì)的影響和調(diào)控
　　(1)利用機(jī)械剝離和干法轉(zhuǎn)移的方法在SiO2/Si，PDMS柔性襯底、LaAlO3和SrTiO3襯底上制備單層和少層MoS2，通過(guò)拉曼光譜和光致發(fā)光光譜系統(tǒng)的研究了不同種類(lèi)的介電襯底對(duì)MoS2性質(zhì)的影響。拉曼光譜的結(jié)果顯示襯底對(duì)MoS2的拉曼活

4、性晶格振動(dòng)模式影響很小，意味著MoS2薄膜和襯底之間只存在弱的應(yīng)力相互作用。但是發(fā)光光譜卻呈現(xiàn)出明顯的襯底依賴(lài)，不同的襯底能夠顯著地改變MoS2中帶電激子(Trion)和中性激子(Exciton)的比例，引起發(fā)光性質(zhì)的變化。這種變化源于不同的襯底引起了不同濃度的電荷注入，根據(jù)估算的電子密度顯示SrTiO3襯底注入最少的電子，而SiO2/Si注入最多的電子。同時(shí)，我們還提出了界面能級(jí)圖解釋了這種電荷注入效應(yīng)。該結(jié)果顯示襯底與MoS2界面的

5、電荷傳遞效應(yīng)強(qiáng)烈的影響著MoS2的發(fā)光性質(zhì)，為通過(guò)襯底工程改變二維材料發(fā)光性質(zhì)提供了一個(gè)可能的途徑。
　　(2)設(shè)計(jì)并制備了單層MoS2/VO2結(jié)構(gòu)，利用VO2溫度驅(qū)動(dòng)的絕緣體-金屬相變特性，研究了介電環(huán)境改變對(duì)單層MoS2發(fā)光性質(zhì)的影響。變溫拉曼光譜顯示隨著溫度升高，VO2由絕緣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘賾B(tài)，而MoS2的拉曼振動(dòng)模式并沒(méi)有隨之發(fā)生明顯的改變，表明VO2的相變并沒(méi)有對(duì)單層MoS2帶來(lái)大的應(yīng)變影響。但是變溫發(fā)光光譜顯示VO2相變卻

6、明顯增強(qiáng)了單層MoS2的發(fā)光，這主要是由于當(dāng)VO2由絕緣態(tài)向金屬態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，改變了MoS2周?chē)慕殡姯h(huán)境，MoS2和VO2襯底間的光學(xué)干涉效應(yīng)增強(qiáng)了MoS2的發(fā)光。該結(jié)果為通過(guò)原位改變襯底的介電性質(zhì)來(lái)調(diào)控MoS2發(fā)光提供了一種思路。
　　2.摻雜對(duì)于MoS2發(fā)光及載流子行為的影響
　　利用靜態(tài)吸收譜、拉曼光譜、光致發(fā)光光譜和超快激光泵浦探測(cè)技術(shù)，研究了摻雜錸（Re）對(duì)MoS2中的載流子行為的影響。結(jié)果顯示Re的摻雜會(huì)引起拉曼聲

7、子模式E12g紅移和A1g寬化，導(dǎo)致光致發(fā)光猝滅，吸收譜中激子峰寬化且紅移。這些結(jié)果表明Re的摻雜并沒(méi)有改變MoS2的晶格結(jié)構(gòu)但對(duì)其產(chǎn)生了微擾，會(huì)在MoS2中產(chǎn)生缺陷能級(jí)并促使電子空穴對(duì)以無(wú)輻射躍遷方式退激發(fā)。超快激光泵浦探測(cè)得到摻雜Re之后MoS2中載流子壽命約為1ps，與單層無(wú)摻雜MoS2(約22ps)相比縮短了20多倍，表明Re的摻雜抑制了激子的生成并促使載流子迅速以無(wú)輻射躍遷的方式被散射。
　　3.二維異質(zhì)結(jié)層間相互作用的

8、光譜研究
　　利用拉曼光譜和光致發(fā)光光譜，我們系統(tǒng)研究了MoS2/graphene、WSe2/MoSe2，MoSe2/MoS2，和WSe2/MoS2兩層異質(zhì)結(jié)中的層間相互作用。從異質(zhì)結(jié)的拉曼光譜中觀察到了層間聲子模式，顯示了層間存在強(qiáng)烈的耦合作用。同時(shí)，WSe2/MoSe2，Mo Se2/MoS2，和WSe2/MoS2異質(zhì)結(jié)界面形成能帶為Ⅱ型的排列(typeⅡalignment)，發(fā)光譜中觀測(cè)到的新的發(fā)光峰便來(lái)源于Ⅱ型能帶排列形成

9、的層間激子。在MoS2/graphene異質(zhì)結(jié)中，由于接觸電勢(shì)差的存在，光生電子空穴對(duì)會(huì)被迅速拽離開(kāi)，電子傳遞到graphene以無(wú)輻射躍遷的方式退激發(fā)使得MoS2發(fā)光發(fā)生明顯猝滅。
　　4.同/異質(zhì)結(jié)中載流子動(dòng)力學(xué)的超快光譜研究
　　設(shè)計(jì)和構(gòu)筑了TMD/TMD/graphene三層結(jié)構(gòu)，借助graphene作為載流子快速收集通道，利用超快激光泵浦探測(cè)技術(shù)系統(tǒng)地研究了同質(zhì)結(jié)層間的載流子傳遞過(guò)程。研究結(jié)果表明MoSe2/MoS