二维材料异质结构中的层间电荷与能量转移的计算研究

Efficient transfer of charge and energy is the key process in photovoltaic cell and photocatalysis. Although great effects have been paid to study two-dimensional (2D) material such as graphene, some fundamental questions regarding the charge and energy transfer in 2D material remain unclear. For example, for heterostructures with van der Waals interlayer interaction, how the ultrafast interlayer charge transfer (tens of femiseconds) is achieved? In this project, we will conduct theoretical and computational study on the interlayer charge transfer and exciton formation in ultrathin 2D heterostructures. We will investigate the response of graphene in a pump-probe process and its relation to underlying microscopic interaction parameters, calculate the rate of interlayer charge transfer in 2D heterostructures of graphene and transition metal dichalcogenides (such as MoS2, WS2, MoSe2, WSe2), and determine the efficiency of the formation and separation of interlayer excitons. The aim is to reveal the mechanism of efficient charge and energy transfer in 2D material, and provide insights for the material screening of photovoltaic applications.

材料中的能量与电荷转移，是太阳能电池与光催化等重大应用中的关键过程。虽然以石墨烯为代表的二维材料得到了大量的关注与研究，但是对于二维材料中的能量与电荷转移的一些基本问题，人们还缺乏基本的认识。例如，层间为范德华力的双层异质结体系是怎样实现超快（几十个fs）的层间电荷转移的？本项目围绕二维材料异质结构中的层间电荷转移与激子形成开展相关的理论与计算研究。将研究石墨烯在pump-probe过程中的光响应与粒子微观作用参数之间的依赖关系、计算由石墨烯和二维硫族过渡金属化合物（MoS2, WS2, MoSe2, WSe2等）组成的异质结构中的层间电荷转移的速率、确定层间激子的形成与分离的效率，从而揭示二维材料中能量与电荷有效转移的微观机制，为太阳能电池二维材料的设计和筛选提供理论上的参考。

本课题主要通过理论分析与第一性原理计算的手段研究二维材料的层间电荷与能量转移。主要内容包括研究石墨烯在pump-probe过程中的光响应与电荷转移，计算二维异质结构中的电-声子耦合作用与层间电荷转移速率，从而揭示二维材料中能量与电荷有效转移的微观机制。研究取得了一些重要结果：（1）详细研究了石墨烯在pump-probe超快过程中的光响应，发展了描述电-声子作用引起的能量转移过程的模型，并编写了相关的计算程序，对石墨烯/MoSe2体系的数据分析获得了很好的效果，所得到的电子-声子耦合参数与以前通过迁移率实验或第一性原理计算得到的结果非常接近；（2）计算了新型二维铋氧硫族化合物材料BOX的电-声子耦合及其所引起的拉曼光谱，并结合解析模型预言了应变下的拉曼频率变化行为；（3）编写了计算自发辐射条件下的层间转移速率系数的程序，发现MoS2/WS2体系的导带间及价带间层间跃迁速率最多只能在10^6-10^7 s^(-1)量级，而导带-价带间的跃迁速率量级在10^8 s^(-1)；（4）计算了二维氟化单层金刚石（F-diamane）的能带结构与电子-声子耦合性质，结果表明F-diamane在Г点具有直接带隙，在电-声子散射影响下的本征电子迁移率为2732 cm^2/(V.s)，优于类似带隙下的III-V族半导体材料；（5）推导了二维材料通过发射声子实现层间电荷转移的理论公式，发现它是比自发辐射机制更为重要的电荷转移通道。.课题得到的公式与程序可以应用于二维材料的性质分析；课题给出的具体数值结果有助于人们更好地认识二维材料中层间电荷转移的微观机制。.课题共培养博士毕业生3名，发表了有基金资助标注的SCI论文12篇，这些论文已被SCI引用122次。