新型二维材料异质结构中载流子动力学性质的研究

In recent years, the study of two-dimensional material heterostructures has attracted extensive attention. Using femtosecond transient absorption and steady-state spectroscopy, the charge and energy transfer in the double-layer heterojunction formed by TMD and graphene are studied, and many theoretical models are proposed to explain the physical process. But so far, more experimental studies are needed to reveal the different aspects of charge and energy transfer in order to effectively determine the charge and energy transfer mechanism in heterostructures under different conditions..Two studies are planned in this project. Firstly, the carrier dynamics process of new two-dimensional materials is studied, including the thermal equilibrium, relaxation and exciton recombination processes of photogenerated carriers in time dimension, diffusion and migration processes in space dimension, carrier lifetime and diffusion coefficient at room temperature. Secondly, the design of double-layer heterojunctions based on new two-dimensional materials and the mechanism of charge and energy transfer in the heterojunctions are studied. The research results will obtain the carrier dynamics properties of new two-dimensional materials and heterojunctions, expand the material library of Van der Waals multilayer materials, and will certainly promote the application of new two-dimensional heterojunctions in optoelectronic devices.

近年来，二维材料异质结构的研究得到了广泛的关注。人们采用飞秒瞬态吸收和稳态光谱学测量，研究了由TMD和石墨烯形成的双层异质结中的电荷和能量转移，并提出了许多理论模型试图解释其间的物理过程。但到目前为止，还需要更多的实验研究来揭示电荷和能量转移的不同方面，以有效确定不同条件下异质结构中电荷和能量转移机制。. 本项目拟开展两项研究，首先，对新型二维材料开展载流子动力学过程的研究，包括光生载流子在时间维度上的热平衡、弛豫和激子复合过程以及空间维度上的扩散和迁移过程、材料室温下载流子寿命和扩散系数。其次，开展设计基于新型二维材料的双层异质结的研究及其异质结中电荷和能量转移相关机制的研究。研究结果将获得新型二维材料及其异质结的载流子动力学性质、扩展范德瓦尔斯多层材料的材料库、必将促进新型二维异质结在光电子器件中的应用。

二维异质结构是在利用二维材料优异的光电性质的基础上，进一步结合能带工程技术，构建各类具有优良性能二维光电器件的基础结构，其重要性不言而喻。然而，对于其中物理作用机制的描述和表征仍处于初步阶段，特别是对于该异质结构中载流子的动力学过程的研究十分罕见。本课题基于超快瞬态吸收光谱技术，对于上述物理过程进行了细致的研究，主要取得如下成果：.1.利用超快瞬态吸收光谱系统其超高的时间-空间分辨率，研究了几种新型二维半导体材料，如PtSe2、TlGaS2、AsSbS3和Te纳米片等的载流子动力学过程，获得了多项用来表征材料载流子输运特性的参数，如激子能量弛豫时间、激子载流子寿命、扩散系数等，并通过它们进一步推导出材料激子的迁移率、扩散长度等重要参数；.2.利用超快瞬态吸收光谱系统的层选择泵浦-探测技术，研究了几种通过机械剥离法或化学气相沉积法，并结合干法转移得到了二维异质结构，其中包括WS2/双层PtSe2、WSe2/PtSe2、三层WS2/三层MoSe2、MoSe2/WS2/MoS2异质结等。我们通过研究设计不同的激发和探测条件的组合，揭示了异质结中光生载流子的电荷转移路径，初步建立了各自异质结构中的电荷和能量的转移模型；.3.在深刻理解新型二维半导体材料及其异质结构的载流子动力学特性的基础上，开发了相应的光电器件，如二维场效应晶体管、偏振敏感型器件等。.本课题研究所得到的结果进一步扩充了现有的新型二维半导体材料库，加深了对这些材料载流子输运性能的了解。同时，通过构建多种二维异质结构，并对其中载流子的电荷转移和能量转移进行精准调控，必将促进新型二维异质结构在光电子器件中的应用，并为其性能的提升提供了有效的指导。