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二维异质结材料中结构、载流子检测方案:拉曼光谱&荧光寿命&光电流

发布时间:2020-07-09 10:37:23 浏览量:37


最近看了些光电材料方面的文章,然后就发现科研领域取名字这块还挺有趣的,有些学术名词乍一看高深莫测,但其实了解了它的结构之后

才恍然大悟,原来科学家们并非是在故弄玄虚,以光电材料中最基本的结构之一异质结为例,我们都知道异质结是两种不同的半导体相接触

形成的界面区域,那大家猜猜何谓垂直异质结,何谓侧向异质结?何谓核壳异质结?答案很简单,顾名思义,当两种不同的半导体材料纵向

堆叠,此时形成的界面区域就是垂直异质结;当一种半导体材料在x-y平面内包含另一种半导体材料,此时形成的界面区域就是侧向异质

结;当一种半导体材料在x-y-z空间内包含另一种材料,此时形成的界面区域就是核壳异质结.


目前异质结主要是由二维材料和石墨烯相互组合形成的,前段时间看了篇报道,是一些同行对一篇名为“Will Any Crap We Put into 

Graphene Increase Its Electrocatalytic Effect?”论文的调侃,翻译成中文就是“什么破烂东西都能提升石墨烯的催化性能?”为什么连作者

自己也给文章写这样的标题呢,原来文章中是在石墨烯里掺杂鸟屎来提高它的催化性能,由此可见石墨烯已经被科学家们研究得百毒不侵

了,但纵观二维材料领域,过渡金属二硫化物作为后起之秀大有直追青云之势呀!所以本文关于异质结的结构,性能表征这块就以过渡金属

二硫化物组合形成的异质结为例向大家展示拉曼光谱,荧光寿命,光电流表征异质结的结果.


拉曼光谱


陕西师范大学徐华老师等人合成ReS2/WS2垂直异质结,上图a是光学显微镜下材料的实际图片.图b黄,红,蓝三条光谱分别对应图a中

ReS2,ReS2&WS2界面,WS2处.Eg,Ag拉曼特征峰分别代表平面内振动模式和平面外振动模式.随着层数的增加,Eg逐渐向低波数方向移

动,Ag逐渐向高波数方向移动,通过两个振动的位移差可以判定它的层数.上图b显示了在异质结晶粒中两个相邻区域和一维界面处获得的

拉曼光谱.从ReS2处收集的拉曼光谱在150 cm-1(Eg),308 cm-1(Eg)和213 cm-1(Ag)处出现特征峰,这与单层ReS2一致.另外分

别位于355 cm-1(E12g)和418 cm-1(A1g)处的两个拉曼峰,对应于单层WS2.在ReS2和WS2界面区域获取的拉曼光谱显示ReS2和

WS2的拉曼峰,表明两种不同材料的共存.


荧光寿命

说到荧光寿命,先说下荧光. 荧光光谱实际上是电子空穴对的复合发光光谱,当入射光对材料进行辐照,材料价带中的电子吸收入射光能量

跃迁到导带,产生电子空穴对,这时候去掉激发光,材料导带中的电子从激发态回到基态,缓慢放出较长波长的光,放出的这种光就叫荧光.如

果把荧光的能量--波长关系图作出来,那么这个关系图就是荧光光谱.电子从激发态回到基态经历的时间即为荧光寿命.为了评估异质结中

载流子的分离和传输特性,可对异质结进行荧光寿命测试.



上图红蓝黑色曲线分别对应WS2,ReS2&WS2界面,ReS2的荧光寿命.可以看到ReS2的荧光寿命几乎没有信号,由于ReS2区域的寿命比

WS2和界面区域的信号弱得多,因此在这种泵浦探测波长下,无法从ReS2到WS2传输光生载流子.所以从WS2到ReS2的光生载流子的时

间动力学可直接评估WS2&ReS2异质结构的质量.如上图的插图所示,蓝色曲线的归一化荧光寿命信号明显比WS2区域(红色曲线)的

衰减更快.根据能带排列,WS2-ReS2界面形成II型半导体,其中WS2中激发的电子将转移到ReS2.在这种情况下,由于层间转移提供了额外

的载流子复合通道,因此有望缩短载流子的寿命.使用双指数函数,WS2区域的拟合寿命为20和288 ps,而界面区域的拟合寿命为11和67

 ps.因此,荧光寿命结果有力地证明了光生载流子可以在异质结的界面处有效分离.


光电流

光电流和荧光寿命可以说是彼此互补又很相似的表征.光生载流子寿命分为产生寿命和复合寿命,复合寿命即为上述提及的荧光寿命,

产生寿命就是载流子迁移时间,决定电荷定向移动的光电流大小.所以光电流也可以用来研究载流子分离和传输机制.


参考文献:D. Y. Liu, J. H. Hong, X.B. Li, X. Zhou, B. Jin, Q. N. Cui, J. P. Chen, Q. L. Feng, C. X. Xu, T. Y. Zhai, K. Z. Suenaga, H. Xu, Synthesis of 2H-1T′ WS2-ReS2 heterophase structures with atomically sharp interface via hydrogen-triggered one-pot growth, Adv. Funct. Mater. 2020, 1910169.