黑磷二维异质结红外光电转换过程的超快光谱学研究

Although two-dimensional (2D) black phosphorus (BP) heterostructure is very promising for realizing novel and multifunctional infrared photodetectors of excellent performances, observing its ultrafast photocarrier dynamics and understanding its infrared photoelectric conversion mechanism are still challenging. In this project, we propose to develop an ultrafast optical spectroscopy to directly observe temporal dynamics of interlayer transfer, interlayer transport and recombination of photocarriers in 2D BP heterostructures with femtosecond laser transient absorption microscopy; Subsequently, by measuring temporal parameters of photocarriers as a function of BP’s layer number as well as pump laser polarization, we will demonstrate dynamical evolution of infrared photoelectric conversion processes and corresponding mechanism in 2D BP heterostructures. These researches will elaborate the ultrafast photocarrier dynamics and elucidate the infrared photoelectric conversion mechanism of 2D BP heterostructure, so that provide significant support for infrared optoelectronics study of 2D heterostructures.

黑磷二维异质结具有实现柔性超薄、偏振敏感、室温高增益和快速宽谱响应等新型高性能红外光电探测器的巨大潜力，但如何观测其表界面光生载流子的超快动力学过程并理解其红外光电转换的物理机制仍充满挑战。本项目拟基于飞秒激光瞬态吸收显微光谱，直接观测黑磷二维异质结中光生载流子的层间转移、层间输运和复合等超快动力学过程，发展测量二维表界面红外光电转换过程的超快光谱学新技术；进而利用该技术，测量出黑磷二维异质结光生载流子超快动力学参数对黑磷层数和泵浦激光偏振的依赖关系，深入研究黑磷层数和平面各向异性对黑磷二维异质结红外光电转换过程的影响，理解黑磷二维异质结实现红外光电转换的超快动力学机制。本项目的开展将深刻揭示黑磷二维异质结红外光电转换的超快动力学过程及物理机制，为二维异质结体系的红外光电子学研究提供重要的技术手段、数据支撑和理论参考。

二维异质结中红外光电转换的超快动力学机制解析对基于二维异质结的红外光电探测器的设计具有重要意义。为了充分解析二维异质结中红外光电转换的超快动力学过程，本项目首先基于泵浦探测技术发展了微区瞬态吸收光谱技术，其次搭建了微纳对准转移和微区光谱系统以及时间分辨二次谐波系统。利用发展的技术方法，本项目充分解析了二维异质结中红外光生载流子的超快注入、层间分离与复合的动力学过程，发现二维异质结中存在载流子的超快隧穿通道，并解析了层间隧穿的时间尺度。此外，本项目进行了层间耦合和介电屏蔽效应对光电转换过程调控的研究。本项目的研究成果能够为二维异质结体系光电子学研究提供重要的理论和实验支持。