二维材料及其异质结构中载流子动力学过程研究进展.pdf
《二维材料及其异质结构中载流子动力学过程研究进展.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《二维材料及其异质结构中载流子动力学过程研究进展.pdf(14页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 44 卷 第 7 期2023年 7 月Vol.44 No.7July,2023发光学报CHINESE JOURNAL OF LUMINESCENCE二维材料及其异质结构中载流子动力学过程研究进展何大伟1,赵辉2,王永生1*(1.北京交通大学物理科学与工程学院 光电子技术研究所,北京100044;2.美国堪萨斯大学 物理与天文学系,堪萨斯州 劳伦斯市66045)摘要:二维材料及其异质结构由于其独特的结构和优异的光电性能,有望成为下一代光电子技术的核心材料。光生载流子的动力学性质对这些材料的光电性能具有重要的影响。本文综述了近年来对这些材料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
2、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、能量弛豫、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,进一步讨论了二维材料异质结构中的电荷及能量在层间转移的过程。关键词:二维材料;瞬态吸收;载流子动力学;超快激光中图分类号:O482.31 文献标识码:A DOI:10.37188/CJL.20230101Research Progress on Photocarrier Dynamics in Two-dimensional Materials and
3、 Their HeterostructuresHE Dawei1,ZHAO Hui2,WANG Yongsheng1*(1.Institute of Optoelectronic Technology,School of Physical Science and Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China;2.Department of Physics and Astronomy,University of Kansas,Lawrence,KS 66045,USA)*Corresponding Author,E-ma
4、il:Abstract:Due to their unique structures and excellent optoelectronic properties,two-dimensional(2D)materials and their heterostructures are promising materials for the next generation optoelectronic technology.The dynamic properties of photocarriers have an important influence on the optoelectron
5、ic properties of these materials.This review discusses the research progress in recent years on the photocarrier dynamics in these materials.In the time domain,transient absorption measurements of carrier thermalization,energy relaxation,exciton formation,exciton-exciton annihilation,and exciton rec
6、ombination in 2D materials are discussed.In the spatial domain,high-spatial-resolution transient absorption microscopy studies of photocarrier in-plane transport properties are introduced.Furthermore,interlayer charge and energy transfer in 2D heterostructures are discussed.Key words:two-dimensional
7、 material;transient absorption;carrier dynamics;ultrafast laser1引言自石墨烯被发现以来,二维材料引起了物理、化学、以及材料等学界的广泛关注。有代表性的二维材料包括过渡金属硫族化合物、过渡金属氧化物、六方氮化硼、磷烯等1。这些单原子层或单分子层材料具有一些独特的性质,有望成为下一代光电子技术的重要材料。首先,随着原子层数的减少,二维材料(如石墨烯、过渡金属硫族化合物、磷烯等)的电子结构具有很强的层数依赖文章编号:1000-7032(2023)07-1273-14收稿日期:20230420;修订日期:20230510基金项目:国家自然
8、科学基金(61975007,61875236);北京市自然科学基金(Z190006)Supported by National Natural Science Foundation of China(61975007,61875236);Beijing National Natural Science Foundation(Z190006)第 44 卷发光学报性2。同 时,过 渡 金 属 硫 族 化 合 物 等 二 维 材 料的晶格对称性(如反演对称性)也取决于层数,从而使其二阶非线性光学性质和自旋-能谷耦合性质均与层数相关3-4。因此,可以通过层数来调控这些二维材料的电光性质。其次,由于二
9、维 材 料 的 厚 度 小 于 典 型 的 库 仑 相 互 作 用 尺度,载流子之间的电场一部分泄漏到周围环境中。这一尺度效应降低了介电屏蔽强度,从而增强了载流子之间的相互作用并导致激子、三子和双激子束缚能的大幅增加5-6和载流子热化与 能 量 弛 豫 过 程 的 加 速7。此 外,泄 漏 出 的 电场也有利于通过操纵周围环境来控制二维材料的 电 光 性 质8。第 三,一 些 二 维 材 料 由 于 存 在范霍夫奇点,具有很高的光吸收系数,有利于诸多 光 电 子 应 用9。第 四,二 维 材 料 的 表 面 无 悬挂键,具有接近完美的表面,有助于减少表面散射,从 而 实 现 高 载 流 子 迁
10、 移 率 和 长 自 旋 寿命10-11。最后,二维材料可以承受较大的形变,适 合 应 用 于 柔 性 及 可 穿 戴 器 件 中12。综 上 所述,这些特性使得二维材料成为探索低维新物理现象的理想平台和场效应管、太阳能电池、光电探测器和发光器件等应用的候选材料。由于其层间范德华相互作用的特点,二维材料也为制备多层异质结构提供了新的途径。通过将几种二维材料按照一定的顺序堆叠组合,可以获得新的范德华多层结构。由于这种堆叠不受晶格匹配的限制,可以根据应用需求,选择合适的材料组合。因此,这项技术可以探索大量的未知的人工材料,从而为材料研究带来革命性的变革13。由于范德华层间相互作用的特性,可以避免传
11、统异质结构中的许多问题,如界面缺陷、层间原子扩散、应变、层间杂质等。此外,范德华多层结构具有较好的柔性和化学稳定性,并与当前的薄膜制备技术相兼容。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14。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,具有重要的作用。本文综述了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。鉴于这一领域已有的文献15-17以及篇幅限制,本文在兼顾整个领
12、域研究进展的同时,将重点介绍由徐叙瑢院士领导建立的北京交通大学光电子技术研究所利用瞬态吸收显微技术所取得的相关研究结果。2瞬态吸收显微技术一般情况下,材料的光吸收系数会随其所处的环境条件(如电场、压强等)和内部状态(如电子在各能级的分布)而发生微小的变化。这一现象为研究材料内部的各种动力学过程提供了一种实验手段。例如,脉冲激光在半导体材料中激发的载流子可以通过若干物理机制来导致材料吸收系数的变化,如能态填充、带隙重整、屏蔽等效应。在载流子浓度较低的条件下,材料的瞬态吸收系数(即载流子所导致的材料吸收系数的相对变化值)可以近似为/0=N/(N+Ns)N/Ns,其中0为材料的线性吸收系数,N为激发
13、的载流子浓度,Ns为饱和载流子浓度14。在泵浦-探测实验中,通过泵浦光脉冲激发载流子而产生瞬态吸收。探测光脉冲对瞬态吸收的测量可通过测量其微分透射率或微分反射率来实现。前者为泵浦脉冲导致的样品对探测脉冲透射率的相对变化,T/T0=(T-T0)/T0,其中T和T0分别为样品在有泵浦光和无泵浦光条件下探测光的透射率。微 分 反 射 率 的 定 义 方 法 类 似,为R/R0=(R-R0)/R0。在通常实验条件下,当光激发的载流子浓度远低于材料的饱和载流子浓度时,微分透射率和微分反射率均正比于载流子浓度。因此,通过扫描探测光脉冲与泵浦光脉冲之间的时间延迟并测量瞬态吸收,可以得到载流子浓度随时 间 的
14、 变 化 规 律,从 而 研 究 载 流 子 的 动 力 学过程。当研究尺寸较小的二维材料或研究材料的空间变化时,需要将瞬态吸收技术和光学显微技术结合起来,从而获得高的空间分辨率。这类瞬态吸收显微技术的的实验装置如图 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1274第 7 期何大伟,等:二维材料及其异质结构中载流子动力学过程研究进展探测脉冲延迟),而后经分波片与泵浦光重
15、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。在二维材料的早期研究中,由于机械剥离所获得的样品一般横向尺寸较小,瞬态吸收显微技术实现了微米量级的光斑,使得这类材料的时间分辨研究成为可能18-20。在这类测量中,泵浦和探测光斑在空间重合。通过扫描两者的
16、时间延迟,获得时间分辨的微分反射率。而在进行空间分辨的测量时,通过偏转用于反射透射光的分波片,可微调探测光束在物镜前的入射角,从而移动聚焦在样品表面的探测光斑。通过在每个探测光斑的位置进行时间延迟扫描,可以实现对载流子在样品横向空间分布的时间分辨测量。在进行二维材料的瞬态吸收测量时,一般会将探测光的波长调至样品的激子吸收峰附近,从而获得较强的信号。然而,在激子线附近的瞬态吸收信号,并非只来源于激子态的分布,而是来源于所有载流子,包括激子和自由电子-空穴对。这一点,在早期对传统的半导体量子阱的研究中就已被确立21。这一效应的物理机制是由于在二维体系中载流子的屏蔽效应对瞬态吸收的贡献较大。另外,载
17、流子之间的相互作用也较强。因此,对瞬态吸收信号的光谱分辨测量并不能直接得到载流子的能量分布。此外,也可以利用光子能量低于带隙的探测光,通过载流子的带内吸收来研究其动力学过程22。3时域动力学过程载流子在二维材料中的时域动力学过程,包括载流子热化和能量弛豫,激子形成、激子-激子湮灭,以及激子复合。3.1载流子热化及能量弛豫脉冲激光(一般为 100 fs量级)通过带间吸收所激发的载流子为自由电子空穴对。由于超短脉冲在能量空间的带宽一般为 10 meV 左右,激发的电子和空穴在导带和价带具有非常窄的类高斯分布。这些载流子会通过碰撞而交换能量与动量,分别形成费米-狄拉克分布,这一过程被称为热化过程。N
18、ie 等作者7通过超高时间分辨率的瞬态吸收测量,发现在二维二硫化钼中,微分透射率信号在泵浦脉冲激发后有一个超快的衰减过程,见图 2。作者将其归为载流子的热化,并得出了热化时间为 20 fs 左右。这一结果揭示了二维材料中载流子的相互作用与体材料更强。在非共振激发条件下,材料所吸收的光子能量有一部分转化为载流子的动能。因此,热化后所形成的载流子分布一般具有远高于晶格的温度。这些载流子可以通过发射声子来降低能量从而将温度降至晶格温度。Nie 等的实验23同样揭示了超快的载流子能量弛豫过程,如图 2 所示。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23。3.2激子形成如前所述,二维
19、材料由于其结构特点,介电屏蔽效应较低,从而导致激子束缚能远高于室温下的晶格热能5-6。因此,激子在大部分二维材料中能在室温下稳定存在,从而使得这些材料成为研究激子物理学的理想平台。而从自由载流子向激子演化的过程,即激子形成过程,为激子动力学的起点。泵浦光探测光激光系统锁相放大器光探测器相机光延迟线斩波器滤色片分波片 分波片分波片 物镜样品图 1瞬态吸收显微实验装置示意图Fig.1Schematics of a transient absorption microscopy setup0.0080.0060.0040.00200-2002004006008001000Time delay/fsC
20、arrierthermalizationCarrier coolingT/T图 2二维二硫化钼中载流子的热化和能量弛豫过程23Fig.2Thermalization and energy relaxation of photocarriers in 2D MoS2231275第 44 卷发光学报Ceballos 等通过测量和分析皮秒尺度内单层过渡金属硫族化合物的瞬态吸收,研究了激子在这些材料中的形成过程24。诸多前期实验已经发现这些材料的瞬态吸收信号一般会出现一个很快的亚皮秒的衰减过程,导致信号衰减至一半左右。这一现象被归结为晶格缺陷对载流子的俘获效应。Ceballos 等系统地研究了这个超快
21、衰减成分随激发波长等实验条件的关系,发现它只在非共振激发的条件下才比较明显,见图 3(a)。此外,快衰减与慢衰减信号成分之比随泵浦光子能量而增加,见图 3(b)。这一现象在单层二硫化钼、二硫化钨、二硒化钼、二硒化钨中普遍存在24。结合理论分析,作者提出这个衰减过程是由于载流子从自由电子-空穴对向激子演化的过程所造成的。由于在二维材料中(在室温条件下),自由电子-空穴对在激子吸收峰处导致的瞬态吸收信号大约为同等密度的激子所导致的瞬态吸收信号的两倍。激 子 形 成 过 程 表 现 为 瞬 态 吸 收 信 号 的 降 低。Zereshki 等进一步通过三脉冲实验,排除了晶格缺陷俘获机制的可能性25。
22、此外,亚皮秒的激子形成时间也与其后报道的光电子能谱的实验结果相符26。3.3激子激子湮灭在二维材料中形成的亚稳态的激子分布后,由于其结构特点,激子之间的相互作用与体材料相比有所增强。对于激子动力学过程而言,可能出现较为显著的激子-激子湮灭过程。Kumar 等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,观测到了这一过程并测定了湮没系数27。如图 4 左列所示,当注入的激子 浓 度 从 0.8/cm2增 加 到 3.51011/cm2(从 上 往下),激子浓度的衰减显著加快。图中的激子浓度是通过测量的微分反射率推算得到的。分析表(a)543210R/R0/10-3120-134
23、56Probe delay/ps2.43 eV2.25 eV2.07 eV1.88 eV1.77 eV1.65 eVProbe:1.58 eVPump:(b)2.82.6R(peak)/R(3 ps)2.01.6Pump photon energy/eV3.02.42.22.01.81.61.41.82.22.42.6PLABEgEgC图 3单层二硒化钼中激子的形成过程。(a)不同激发光子能量下的微分反射率随时间的变化;(b)快速衰减和慢速衰减信号成分之比与激发光子能量的关系24。Fig.3Exciton formation process in monolayer MoSe2.(a)Diff
24、erential reflectance as a function of time under various pump photon energies.(b)The ratio for the fast-and slow-decay components as a function of the pump photon energy24.2004000Probe delay/ps0123012010101N/(1011cm-2)20600Probe delay/ps40805100024602401202N0/N(t)-1图 4单层二硒化钼中的激子-激子湮灭过程。左列为不同激子注入浓度条件
25、下激子浓度随时间的变化;右列为左列相应数据的计算结果27。Fig.4Exciton-exciton annihilation in monolayer MoSe2.Left column shows evolution of the exciton density under different injection densities.The right column is calculated from the data shown in the left column27.1276第 7 期何大伟,等:二维材料及其异质结构中载流子动力学过程研究进展明,当激子-激子湮灭主导激子动力学过程时,
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 二维 材料 及其 结构 载流子 动力学 过程 研究进展
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。