TMDCs vdW异质结构层间激子效应

Two-dimensional (2D) van der Waals (vdW) heterostructures of transition metal dichalcogenides (TMDCs) are the central to the concepts and emerging technologies of light–electricity interconversion, holding great promise in photovoltaics, solar cells, photodetectors, light–emitting diodes and light harvesting. It should be pointed out that the interlayer excitonic effects are the key to determine the novel material properties and the practical applications. However, study on the properties of interlayer excitonic behavior mainly lies in experiments, theoretical study is still in urgent need. In this proposal, we will study the optical absorption properties of 2D TMDCs vdW heterostructures by means of Green’s function many–body perturbation theory, giving rise to the distribution of exciton wave function in real space, the radius, excitation energy, binding energy and life–time of excitons. On the basis of the results obtained, energy and momentum conservation, formation of dark and hot exciton and their effects on the exciton life–time will be investigated, unraveling the interlayer excitonic effects and the mechanism at atomic scale. The effects of electron–phonon coupling on the optical absorption will be revealed, and the effects of the interactions between electron, photon and phonon on the interlayer excitonic effects will be discussed. Our results will significantly advance the understanding on the novel properties and greatly promote the applications in light–electricity interconversion of 2D TMDCs vdW heterostructures.

二维TMDCs vdW异质结构是光–电相互转化概念和技术的基础，在光伏、太阳能电池、光探测器件、发光二极管和光捕获等方面具有巨大的应用潜力。这类结构中的层间激子效应是决定其材料性质和应用的关键，然而关于该课题的主要研究进展仍处于实验观测阶段，层间激子行为特征的理论研究还鲜有报道。本申请拟采用格林函数多体微扰理论研究二维TMDCs vdW异质结构光学吸收性质，激子波函数空间分布特征和激子半径、激发能、结合能、寿命等。分析动量和能量守恒过程、暗激子和热激子产生机制及其对激子寿命的影响等，阐明层间激子效应及其微观机制。研究电子–声子耦合作用对光学吸收性质的影响，进一步分析电子、光子、声子之间的作用对层间激子效应的影响。研究结果将对正确理解二维TMDCs vdW异质结构这一新的材料体系的独特性质和促进其在光–电相互转化领域的应用具有重要意义。

自石墨烯被发现以来，越来越多的二维材料被预测或合成。其中过渡金属硫族化合物(transition metal dichalcogenides, TMDCs)由于其独特的电子和光学性质及其在电子学、光电子学、自旋电子学、能谷电子学和能源、环境等领域的巨大应用前景而受到广泛关注。由于量子尺寸效应和较弱的屏蔽效应，二维材料激发态最明显的特征即激子效应，对应的激子结合能可达1 eV左右。二维单层结构可以通过堆叠另一种二维材料拓展，这就是所谓的二维材料范德华异质结构(van der Waals heterostructures)。由于二维材料异质结构的层间界面作用，其物理、化学性质往往不仅仅是两种单层材料性质的叠加，而是表现出许多新奇的性质，层间激子的形成即其基本且重要的特征之一。本项目中，研究了新型二维材料如FeHfSe3、Cu2Si、LaOMX2等以及单层极性结构如Janus ZrSSe、Janus TiClI等的基本基态性质以激发态性质，包括铁电性、拓扑态、谷电子性质等。构建了二维材料vdW异质结构如Janus MXY/MXY、Janus MoSSe/graphene、Janus ZrSSe/HfSSe以及Ca2N/Na2N等，考察了不同的堆叠方式及层间距和稳定性的关系，研究了层间杂化强度、极化强度、带间hopping、电荷转移以及层间激子产生条件和机制等。由于不同的界面作用特征，发现了一系列新奇的性质例如层间极化可以促进层间激子可由层间直接跃迁直接形成，这不同于层间激子形成的常规机制。发现电子烯在和空穴烯形成异质结构时，会形成一种新型的施主–受主p–n结结构。基于有效哈密顿模型，系统分析了二维vdW异质结构中和层间激子有关的光学选择定则。由于层间激子的形成，还讨论了相关的玻色–爱因斯坦凝聚显现等。此外，还研究了新型二维材料用于光/电催化的理论可行性。基于高通筛选的方案，考察了二维材料如g-CN、MXenes、BXenes等负载不同金属和非金属用于不同光/电催化反应时的基态和激发态性质。这些催化反应包括了析氢、产氧、氧还原、合成氨、合成尿素等。研究结果对优化催化材料的稳定性、活性和选择性具有重要意义。另外，还研究了新型二维材料如LaOMX2等的谷物理性质，并分析了能谷处光学吸收性质，提出了不同于常规的谷极化机制。