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、層狀過渡金屬硫化物是一種新型的二維半導(dǎo)體材料，當其厚度減小到原子級尺度時，庫倫屏蔽和量子限域效應(yīng)導(dǎo)致其具有獨特的電子和光學性質(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、谷電子學等。雖然只有原子級厚度，但是在很寬的電磁波譜范圍內(nèi)，它們都與光有著強烈的相互作用。正是由于這些獨特的物理性質(zhì)和強烈的光與物質(zhì)的相互作用，以過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的二維物理現(xiàn)象提供了優(yōu)良的平臺，而且在光電器件、光

2、電探測等眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
　　近些年來，盡管人們對過渡金屬硫化物開展了大量的研究，但是其與光相互作用中的許多問題，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力學過程直接影響其光電性質(zhì)，決定著器件的性能和應(yīng)用，而對這些復(fù)雜的層間相互作用和界面電荷傳遞機制的理解更是缺乏。因此，本文結(jié)合靜態(tài)和瞬態(tài)光譜學技術(shù)，對原子層過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力學行為進行了深入而系統(tǒng)的研究。論文的具體研究內(nèi)容如下:
　　1.襯底對單層和少層MoS2發(fā)光性質(zhì)的影響和調(diào)控
　　(1)利用機械剝離和干法轉(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，通過拉曼光譜和光致發(fā)光光譜系統(tǒng)的研究了不同種類的介電襯底對MoS2性質(zhì)的影響。拉曼光譜的結(jié)果顯示襯底對MoS2的拉曼活

4、性晶格振動模式影響很小，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，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，我們還提出了界面能級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)強烈的影響著MoS2的發(fā)光性質(zhì)，為通過襯底工程改變二維材料發(fā)光性質(zhì)提供了一個可能的途徑。
　　(2)設(shè)計并制備了單層MoS2/VO2結(jié)構(gòu)，利用VO2溫度驅(qū)動的絕緣體-金屬相變特性，研究了介電環(huán)境改變對單層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的拉曼振動模式并沒有隨之發(fā)生明顯的改變，表明VO2的相變并沒有對單層MoS2帶來大的應(yīng)變影響。但是變溫發(fā)光光譜顯示VO2相變卻

6、明顯增強了單層MoS2的發(fā)光，這主要是由于當VO2由絕緣態(tài)向金屬態(tài)轉(zhuǎn)變時，改變了MoS2周圍的介電環(huán)境，MoS2和VO2襯底間的光學干涉效應(yīng)增強了MoS2的發(fā)光。該結(jié)果為通過原位改變襯底的介電性質(zhì)來調(diào)控MoS2發(fā)光提供了一種思路。
　　2.摻雜對于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技術(shù)，研究了摻雜錸（Re）對MoS2中的載流子行為的影響。結(jié)果顯示Re的摻雜會引起拉曼聲

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的摻雜并沒有改變MoS2的晶格結(jié)構(gòu)但對其產(chǎn)生了微擾，會在MoS2中產(chǎn)生缺陷能級并促使電子空穴對以無輻射躍遷方式退激發(fā)。超快激光泵浦探測得到摻雜Re之后MoS2中載流子壽命約為1ps，與單層無摻雜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，顯示了層間存在強烈的耦合作用。同時，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)光譜中觀測到的新的發(fā)光峰便來源于Ⅱ型能帶排列形成

9、的層間激子。在MoS2/graphene異質(zhì)結(jié)中，由于接觸電勢差的存在，光生電子空穴對會被迅速拽離開，電子傳遞到graphene以無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)中載流子動力學的超快光譜研究
　　設(shè)計和構(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技術(shù)系統(tǒng)地研究了同質(zhì)結(jié)層間的載流子傳遞過程。研究結(jié)果表明MoSe2/MoS