利用能带排布调控二维材料多层异质结构中载流子动力学性质

The Graphene/TMD (transition metal dichalcogenides) heterostructures combine the superior charge transport property of graphene and light absorption and emission performance of the TMDs together. The TMD/TMD bilayer structure can realize the modulation of material properties on optical, transport and spin. Most of the bilayer structures have type-II band alignment, which helps the separation of electron and hole, the extension of carrier life time and formation of PN junction. The outstanding properties of 2D-heterostructures effectively improve the performance of the electronic and optoelectronic devices, including detectors, field-effect-transistors, memory devices and tunneling diodes, etc. That have attracted extensive attention of the academic circles.. Our research will follow the new progress made by other foreign groups on two-dinebnsional materials, as well as the efforts we made in studying bi-layer heterostructures before to controll carrier dynamics in multilayer heterostructures based on bandgap engineering, and summarize the princepals behind the processes. We will manipulate the bandgap alignment in multilayer heterostructures to control the lifetime of carriers and obtain parameters we need. Our project will pave the way to researches of detectors and field-effect transistors based on multilayer heterostructures, and improve performance of optoelectrics effectively.

石墨烯/TMD（过渡金属二硫族化物）异质结构兼有石墨烯的优异的电荷输运性质和TMD的光吸收和发射性能，TMD/TMD 型双层结构可有效实现对材料光学、输运和自旋性质的调控，双层结构大多形成二型能带位错，均有利于电子和空穴的分离，载流子寿命的延长和PN结的形成，二维材料异质结构突出性能有效提高了电子及光电子器件的性能，包括探测器、场效应管、存储器件和隧穿二极管等，引起了学术界的广泛关注。.本项目将结合这些国际上关于二维材料研究的最新进展，并基于本团队在二维材料双层异质结构的研究基础，研究利用能带工程来对二维材料多层异质结构中的载流子动力学性质进行调控，获得能带适配对载流子动力学性质调控的普遍规律；探索在范德瓦尔斯多层异质结构中利用能带排布来控制光生载流子寿命，实现新材料探索中按需设计载流子寿命的目的，研究基于范德瓦尔斯多层异质结构原型光电子器件（探测器或场效应管）、有效提升光电子器件性能。

二维层状材料的动力学性质及其异质结构中带电载流子的电荷与能量转移 过程是制约二维光电器件性能的提高的重要因素。本项目通过能带工程技术，对多种新型不同单层二维层状原子晶体材料及其异质结的载流子动力学过程进行了系统的研究。采用全光非接触的表征手段，结合超快激光系统优异的时间-空间分辨率，并通过稳态的光致发光光谱和时间分辨的瞬态吸收光谱研究了其中的能量转移过程，探索其中载流子的作用机理。主要开展的研究工作如下： .（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：P tSe2、TlGaS2、AsSbS3和Te纳米片等的载流子动力学过程，获得了所研究材料的多项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；包括激发载流子寿命、平均自由时间、扩散距离等。.（2）设计研究了不同种类二维材料单层、双层及多层组合的异质结构，包括单层 WSe2/PtSe2、WS2/双层PtSe2、WSe2/PtSe2、三层WS2/三 层MoSe2、MoSe2/WS2/MoS2等多种不同材料组成的异质结，对不同组合异质结构中的电荷和能量转移过程的开展了细致的研究。利用层选择泵浦-探测技术，通过探测不同能谷中载流子的时空分布情况，揭示双层及多层异质结构中的电荷和能量转移路径。 .（3）设计了基于双层异质结的光电子原型器件的研究。通过(1)、(2)所得到的重要载流子动力学的数据，选择合适的材料，利用其独特的物理性质，构造原型器件，提出了一种制备了二维场效应晶体管的方法；制备了少层 SnS2 场效应晶体管；研究制备了Te 纳米薄层偏振敏感型探测器。为提升相应二维层状材料原型器件的光电性能奠定理论基础。 .（4）发表 SCI 检索论文23 篇， Laser & Photonics Reviews 1 篇、ACS Applied Materials & Interfaces 2 篇、smaLL 1篇、Nanoscale 1 篇、2D Materials 1 篇、 Journal of Materials Chemistry C 1 篇、ACS Applied Nano Materials 2 篇；申请发明专利 3 项，授权1项；博士后出站1名，培养毕业博士生 8 名，毕业硕士9名。