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河北大学在二维材料光学特性研究方面取得系列进展

发布时间:2021-04-15 11:20编辑:小狐阅读: 353次 手机阅读

二维层状晶体材料,如石墨烯(Graphene)二硫化钼(MoS2)和二硫化钨(WS2)等,具有优良的电学性能和光学性能,因此被期待可用来发展厚度更薄、导电速度更快的新一代电子元件,晶体管和光电器件。近几年来,对以石墨烯和二硫化物为代表的二维层状材料的掺杂、变温、老化和异质结层间耦合等问题的探究引起了人们的极大兴趣,这为探究其优异的光电性能及在下一代纳米光电器件中的潜在应用指导。我院精细光谱与精细结构团队通过与湖南大学、南方科技大学、半导体所等单位合作,采用拉曼光谱、荧光光谱和时间分辨光谱等光学表征手段,对WS2以及Graphene/MoS2异质结的光学性质等开展研究并取得系列结果。1)研究了单层WS2的激子局域化和相关激子动力学,发现单层WS2 的表面缺陷引起的激子局域化及其相关的复杂光致发光行为,该工作为基于TMDCs原子层厚度的光电器件技术发展了理论依据。2)发现SLG/MoS2中电子从MoS2到SLG的转移过程,同时在SLG中产生了介电屏蔽作用。另外,发现异质结中A激子峰向长波方向轻微移动,其原因为电子从MoS2转移到graphene导致异质结区的空穴和电子对的复合受阻。该研究结果深化了对Graphene/MoS2异质结层间耦合机制的理解,为基于该结构的光电器件设计和应用指导。

以上工作得到了国家自然科学基金、河北省自然科学基金等项目的支持。

河北大学在二维材料光学特性研究方面取得系列进展(图1)

本文相关词条概念解析:

异质

异质(异质),特异的资质、禀赋。

激子

在半导体中,如果一个电子从满的价带激发到空的导带上去,则在价带内产生一个空穴,而在导带内产生一个电子,从而形成一个电子-空穴对。空穴带正电,电子带负电,它们之间的库仑互相吸引作用在一定的条件下会使它们在空间上束缚在一起,这样形成的复合体称为激子。激子是由库仑作用结合在一起的电子空穴对,其稳定性取决于温度、电场、载流子浓度等因素.当样品温度较高时,激子谱线由于声子散射等原因而变宽.而当kT(k是玻尔兹曼常数)值接近或大于激子电离能时,激子会因热激发而发生分解.所以,在许多半导体材料中,只有低温下才能观测到清晰的激子发光,而当温度升高后,激子谱线会展宽,激子发光强度降低,以至发生淬灭.另外,在电场的作用下,电子和空穴分别向相反方向运动,因而当半导体处于电场作用下时,激子效应也将减弱,甚至由于电场离化而失效.而当样品中载流子浓度很大时,由于自由电荷对库仑场的屏蔽作用,激子也可能分解.这些影响激子稳定性的物理因素在光电器件应用中,可以作为对激子效应和相关的光学性质进行可控调制的有效手段.但对发光和激光器件来说,特别是对一些需要在室温下大浓度注入条件工作的器件来说,将产生一些不利的影响,使激子效应的应用受到限制.总的来说,当激子束缚能较大时,激子相对比较稳定.如在宽禁带半导体材料(如Ⅱ-Ⅵ族化合物材料和氮化物)以及下面要更详细讨论的半导体量子阱等低维结构中,激子束缚能一般比较大,即使在室温下,激子束缚能也比kT大许多,吸收光谱中能看到明显的激子吸收,激子效应不易淬灭,甚至已实现了以激子复合效应为主的激光器件.

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