CuPc/MoS2范德瓦耳斯异质结荧光特性

在众多二维材料中,过渡金属硫族化合物由于其具有独特的光电特性深受广大研究者喜爱.近年来,由二维过渡金属硫族化合物材料与有机半导体结合构建的范德瓦耳斯异质结受到极大的关注.这种异质结可以利用两者的优势对光电特性等性能进行调控,为许多基础物理和功能器件的构建提供了研究思路.本文构建了酞菁铜/二硫化钼(CuPc/MoS₂)范德瓦耳斯异质结,并对其荧光特性进行了表征和分析.与单层MoS₂相比较发现,引入有机半导体CuPc后,异质结当中发生了明显的荧光淬灭现象.通过荧光分析,该现象可以用引入CuPc后异质结中负三激子与中性激子之比增加来解释.此外,通过第一性原理计算分析发现,引入CuPc会在MoS₂的禁带中引入中间带隙态,使得CuPc与MoS₂之间产生非辐射复合,这同样会导致荧光淬灭的发生.CuPc/MoS₂异质结的荧光淬灭现象可以为同类型范德瓦耳斯异质结的光电特性调控研究提供参考和思路.     

二维过渡金属硫族化合物中的缺陷和相关载流子动力学的研究进展

原子级厚度的单层或者少层二维过渡金属硫族化合物因其独特的物理特性而被寄希望成为下一代光电子器件的重要组成部分。然而,二维材料的缺陷在很大程度上影响着材料的性质。一方面,缺陷的存在降低了材料的荧光量子效率、载流子迁移率等重要参数,影响了器件的性能。另一方面,合理地调控和利用缺陷催生了单光子源等新的应用,因此,表征、理解、处理和调控二维材料中的缺陷至关重要。本文综述了二维过渡金属硫族化合物中的缺陷以及缺陷相关的载流子动力学研究进展,旨在梳理二维材料中的缺陷及其超快动力学与材料性能之间的关系,为二维过渡金属硫族化合物材料特性和高性能光电子器件的相关研究提供支持。     

二维半导体材料中激子对介电屏蔽效应的探测及其应用

二维过渡金属硫族化合物作为二维半导体材料领域研究的重要分支,凭借较强的光-物质相互作用和独特的自旋-谷锁定等特性,吸引了广泛而持久的关注.单层的二维过渡金属硫族化合物半导体具有直接带隙,在二维的极限下,由于介电屏蔽效应的减弱,电荷间的库仑相互作用得到了显著的增强,其光学性质主要由紧密束缚的电子-空穴对—激子主导.本文简单回顾了近年来二维过渡金属硫族化合物光谱学的研究历程,阐述了栅压和介电环境对激子的调制作用,之后重点介绍了一种新颖的激子探测方法.由于激发态激子(里德伯态)的玻尔半径远大于单原子层本身的厚度,电子-空穴对之间的电场线得以延伸到自身之外的其他材料中.这使得二维半导体材料的激子可以作为一种高效的量子探测器,感知周围材料中与介电函数相关的物理性质的变化.本文列举了单层WSe₂激子在探测石墨烯-氮化硼莫尔(moiré)超晶格势场引发的石墨烯二阶狄拉克点,以及WS₂/WSe₂莫尔超晶格中分数填充的关联绝缘态中的应用.最后,本文展望了这种无损便捷、高空间分辨率、宽适用范围的激子探测方法在其他领域的潜在应用场景.     

单层二维量子自旋霍尔绝缘体1T'-WTe2研究进展

量子自旋霍尔效应通常存在于二维拓扑绝缘体中,其具有受拓扑保护的无耗散螺旋边界态. 2014年,理论预言单层1T’相过渡金属硫族化合物是一类新型的二维量子自旋霍尔绝缘体.其中,以单层1T’-WTe₂为代表的材料体系具有原子结构稳定、体带隙显著、拓扑性质易于调控等许多独特的优势,对低功耗自旋电子器件的发展具有重要的意义.本文总结了单层1T’-WTe₂在实验上的最新进展,包括基于分子束外延生长的材料制备,螺旋边界态的探测及其对磁场的响应,掺杂、应力等手段在单层1T’-WTe₂中诱导出的新奇量子物态等.也对单层1T’-WTe₂未来可能的应用前景进行了展望.     

单层WS2xSe(2(1-x))合金的制备及其光学性能探究

为了全面理解过渡金属硫族化合物合金成分变化对其带隙及光学性能的影响，通过调控非金属生长源S粉和Se粉的比例，采用化学气相沉积法，制备了一系列具有不同成分的大尺寸单晶WS_2xSe₍2(1-x))合金.通过扫描电子显微镜、拉曼光谱、光致发光光谱等对其形貌、结构及光学性能进行了研究.实验结果表明：单层单晶WS_2xSe₍2(1-x))合金成分均匀且具有非线性光学特性.随着合金中非金属S含量的增多，单层WS_2xSe₍2(1-x))合金的拉曼峰发生蓝移；且其带隙也随S的增多而逐渐变大，发光和吸收峰位均逐渐蓝移.     

二维材料及其范德瓦尔斯异质结的高压响应研究进展

高压技术是一种高效、连续、可逆的调控材料结构、电学、光学等物理特性的手段,因此利用压强工程在材料中实现超导态、制备超硬材料等成为高压领域的研究热点。不同于传统的三维体相材料,二维材料及其异质结中独特的层间耦合作用使其具有许多不同于传统材料的物理特性,且这些物理特性极易受到外场影响和调控,使得高压物理成功地拓展到低维材料领域。本文以石墨烯、黑磷、六方氮化硼和过渡金属二硫族化合物等几种典型的二维材料及其异质结为例,概述了二维材料及异质结在高压调控下的结构、电学、声子动力学、光学等方面的响应,并简要讨论这些高压调控下的二维材料在未来电子、光电器件等领域应用的潜力。     

熵调控的Gd2Co17金属间化合物的结构与室温磁性能

熵调控材料因其独特的设计理念和优于传统合金的性能而受到广泛关注.本文将熵调控的设计理念引入金属间化合物中,设计并通过真空电弧熔炼的方法制备了一系列熵调控的Gd₂Co₁₇金属间化合物,期望通过熵调控的方法来稳定其结构,改善其磁性能.应用热力学理论预言熵调控的Gd₂Co₁₇系列金属间化合物具有稳定的单相,其单相性被X射线衍射实验所证实.通过组态熵调控原子尺寸因素,获得了菱方和六方两种晶体结构.熵调控改善了Gd₂Co₁₇系列金属间化合物的室温磁性能,过渡族金属位的熵调控使磁各向异性发生由基面到易轴的转变,稀土位的熵调控有助于提高其矫顽力,所有熵调控样品室温时的饱和磁矩均比二元Gd₂Co₁₇显著提升,可能是稀土或过渡族金属子晶格磁矩无序取向削弱了金属间化合物中稀土的4f电子与过渡族金属的3d电子磁矩之间的反平行交换作用所导致.磁价模型研究表明:熵调控设计导致Gd₂Co₁₇系列金...     

基于熔融玻璃的预沉积法生长毫米级单晶MoS2及WS2-MoS2异质结

MoS₂是一种具有优异光电性能和奇特物理性质的二维材料,在电子器件领域具有巨大的应用潜力.高效可控生长出大尺寸单晶MoS₂是该材料进入产业应用所必须克服的重大难关,而化学气相沉积技术被认为是工业化生产二维材料的最有效手段.本文介绍了一种利用磁控溅射预沉积钼源至熔融玻璃上,通过快速升温的化学气相沉积技术生长出尺寸达1 mm的单晶MoS₂的方法,并通过引入WO₃粉末生长出了二硫化钼与二硫化钨的横向异质结(WS₂-MoS₂).拉曼和荧光光谱仪测试表明所生长的样品具有较好的晶体质量.利用转移电极技术制备出了背栅器件样品并对其进行了电学测试,在室温常压下开关比可达10~5,迁移率可达4.53 cm~2/(V·s).这种低成本高质量的大尺寸材料生长方法为二维材料电子器件的大规模应用找到了出路.     

二维WSe2场效应晶体管光电性能

自石墨烯被发现以来,随着人们不断的研究和探索,越来越多具有类似结构的二维材料因其优异的光电性质相继被发现和研究。过渡金属硫族化合物(TMDs)因其丰富的物理性质而受到广泛关注。本文研究了三层二硒化钨(WSe_2)纳米片的光电性能。利用范德华力将WSe_2转移到SiO_2/Si衬底的Au电极上,用银浆引出背栅电极,制备了WSe_2场效应晶体管,其载流子迁移率为3.42 cm~2/(V·s)。WSe_2场效应晶体管在630 nm波长下探测器响应度为0.61 A/W,器件的光响应恢复时间为1 900 ms。     

单层MoS2薄膜的NaCl双辅助生长方法

以单层二硫化钼(MoS₂)为代表的过渡金属硫族化合物半导体材料具有良好的光学、电学性质,近十年来引起了人们广泛的研究兴趣.合成高质量单层MoS₂薄膜是科学研究及工业应用的基础.最近科研人员提出了盐辅助化学气相沉积生长单层薄膜的方法,大大提高了单层MoS₂薄膜的生长速度及晶体质量.本文基于此方法,提出利用氯化钠(NaCl)的双辅助方法,成功制备了高质量的单层MoS₂薄膜.光致发光(PL)谱显示其发光强度比无NaCl辅助生长的样品有了明显的提高.本文提出的NaCl双辅助生长方法为二维材料的大规模生长提供了思路.     

单层MoS2掺杂Au、 Ag光学性质的第一性原理研究

二维材料因其优异的光电性能、可调的能带结构广泛应用于传感电子领域,如场效应晶体管、拉曼增强基底、光电探测器等光电子器件。通过掺杂可以将材料改性进而提高材料的载流子浓度和电导率,这将增强材料界面处的电荷转移从而调控材料的光电特性。本文搭建了单层MoS₂以及在MoS₂晶胞中掺杂Au、 Ag原子,通过理论计算得到材料的介电函数、光吸收谱和反射谱,为该材料在光电领域的应用提供理论依据。     

MoS2/MoTe2垂直异质结的电荷传输及其调制

二维材料异质结器件具有纳米级厚度及范德瓦耳斯接触表面,因而表现出独特的光电特性.本文构建了栅压可调的MoS₂/MoTe₂垂直异质结器件,利用开尔文探针力显微镜(KPFM)技术结合电输运测量,揭示了MoS₂/MoTe₂异质结分别在黑暗和532 nm激光照射条件下的电荷输运行为,发现随着栅压的变化异质结表现出从n-n⁺结到p-n结的反双极性特征.系统地解释了MoS₂/MoTe₂异质结的电荷输运机制,包括n-n⁺结和p-n结在正偏和反偏下条件下的电荷输运过程、随栅压变化而发生的转变的结区行为、接触势垒对电荷输运的影响、n-n⁺结和p-n结具有不同整流特征的原因、偏压对带间隧穿的重要作用及光生载流子对电学输运行为的影响等.本文所使用的方法可推广到其他二维异质结体系,为提高二维半导体器件性能及其应用提供了重要的参考和借鉴.     

大面积单层二硫化钼的制备及其光电性能

过渡金属硫族化合物(TMDCs)材料具有优异的电学和光电性能,在下一代光电子器件中具有广阔的应用前景.然而,大面积均匀生长单层的TMDCs仍然具有相当大的挑战.本工作提出了一种简单而有效的利用化学气相沉积(CVD)制备大面积单层二硫化钼(MoS₂)的方法,并通过调整氧化物前驱体的比例,调整MoS₂单晶/薄膜生长.随后,利用叉指电极掩膜板制备出单层MoS₂薄膜光电探测器.最后,在405 nm激光激发下,不同电压和不同激光功率条件下均表现出高稳定和可重复的光电响应,响应时间可达毫秒(ms)量级.此外,该光电探测器实现了405—830 nm的可见光到近红外的宽光谱检测范围,光响应度(R)高达291.7 mA/W,光探测率(D^*)最高达1.629×10⁹ Jones.基于该CVD制备的单层MoS2薄膜光电探测器具有成本低、能大规模制备,且在可见光到近红外的宽光谱范围内具有良好的稳定性和重复性的优点,为未来电子和光电子器件的应用提供了更多的可能性.     

基于过渡金属硫族化合物同质结的光电探测器

近年来,二维过渡金属硫族化合物(transition metal dichalcogenides, TMDCs)由于其出色的电学和光学特性在光电探测领域被广泛研究.相比于报道较多的场效应晶体管型以及异质结型器件,同质结器件在光电探测方面具有独特优势.本文将聚焦基于TMDCs同质结的光电探测器的研究,首先介绍同质结光电器件的主要工作原理,然后以载流子调控方式为分类依据总结TMDCs同质结的几种制备方法及其获得的电学和光电性能.此外,本文还对同质结器件中光生载流子的输运过程进行具体分析,阐述横向p-i-n结构具有超快光电响应速度的原因.最后对基于TMDCs同质结的光电探测器的研究进行总结与前景展望.     

化学掺杂对于单层二硫化钨光致发光的影响

过渡金属硫族化合物(transition metal dichalcogenides, TMDs)因其显著的光学和电学特性而受到广泛的关注。其块状材料为间接带隙半导体,而单层材料则具有直接带隙半导体的特性。对于单层半导体材料,其拥有原子级别的厚度,容易引入外界环境掺杂,从而影响其发光特性。本文通过化学气相沉积法合成高质量,大面积的单层及少数层N-型二硫化钨(WS₂)材料。使用拉曼进行表征,通过其特征声子振动模式所对应的频率差,来确定材料层数。在此基础上,对比了材料中心和边缘的光致发光(Photoluminescence, PL)。相比于中心位置,边缘位置的荧光强度更强,且峰位也发生红移。这是由于生长过程中造成的缺陷密度不同。基于此,使用掺杂剂对材料进行处理,来改变其缺陷密度。处理后发现,边缘和中心位置峰位均发生蓝移,强度减弱,同时中性激子发射占据了主导。该结果也进一步证实了本文生长的单层WS₂为N-型半导体材料。     

(TiO2)12量子环及过渡金属化合物掺杂对其电子性质影响的密度泛函理论研究

本文采用第一性原理中基于密度泛函理论(DFT)的广义梯度近似(GGA)方法, 设计了一种新的(TiO₂)₁₂ 量子环结构, 研究了它的几何结构、平均结合能及电子云分布等属性. 在此新型结构的基础上, 分别采用过渡金属化合物MoS₂, MoSe₂, MoTe₂, WS₂, WSe₂和WTe₂进行掺杂, 并分析了掺杂后体系的几何结构及电子属性(如平均结合能、能级结构、HOMO-LUMO轨道电子云密度分布和电子态密度等). 计算结果表明: (TiO₂)₁₂量子环直径为1.059 nm, 呈中心对称分布, 且所有原子组成一个二维平面结构, 使其几何结构比较稳定, 另外该量子环HOMO-LUMO轨道电子云分布均匀, 且能隙为3.17 eV, 与半导体材料TiO₂晶体的能隙的实验值(3.2 eV)非常接近. 掺杂后量子环的能隙均大幅减小, 其中WTe₂的掺杂结果能隙最小, 仅为0.61 eV, MoTe₂的掺杂结果能隙最大, 为1.16 eV, 也比掺杂前减小约2.0 eV. 其他掺杂结果的能隙都在1 eV左右, 变化不大. 这个能隙的TiO₂可以利用大部分的太阳光能, 使TiO₂具有更为广泛的应用.     

氮/硫共掺杂多孔碳纳米片的制备及其电化学性能

二维多孔碳材料能够提供较短的电解质扩散通道和较快的电子传输过程,因此在能量转换和储存装置中表现出优异的电化学性能.近年来的理论和实验研究表明,两元素共掺杂可使二维多孔碳材料的电化学性能得到明显提高.因此,共掺杂二维多孔碳材料的制备成为目前的研究热点之一.本文以甲基橙-FeCl₃复合物为模板引发剂制备了甲基橙掺杂的聚吡咯纳米管,通过对聚吡咯纳米管与KOH混合物（重量比为1：2）在700 ℃进行热处理,制备了二维石墨烯状氮/硫共掺杂多孔碳纳米片.所制备的氮/硫共掺杂多孔碳纳米片相互连结,形成了多级孔结构.氮气吸附分析表明多级孔结构包含微孔、介孔和大孔,这使所制备的氮/硫共掺杂多孔碳纳米片具有较高的比表面积（1744.58 m²/g）和孔体积（1.01 cm³/g）.共掺杂多孔碳纳米片中的掺杂氮以吡啶氮、吡咯氮和季胺氮形式存在,掺杂硫以噻吩硫和氧化态硫形式存在,二者之间的协同效应能够明显改善碳纳米片表面的浸润性,增加表面电化学活性点.这些特征使所制备的氮/硫共掺杂多孔碳纳米片表现出优异的电化学性能.用氮/硫共掺杂多孔碳纳米片制备的量子点敏化太阳能电池对电极,对多硫电解质再生反应的电催化活性与传统PbS对电极相近,所组装电池的光电转换效率可达到4.30%（100 mW/cm²）.氮/硫共掺杂多孔碳纳米片作为超级电容器电极材料,以6 M（1 M=1 mol/L）KOH为电解质,电流密度为0.4 A/g,比电容达到312.8 F/g.即使电流密度增加到20 A/g,比电容仍达到200.6 F/g,表明其具有较好的倍率性能.     

Au的金属颗粒对二硫化钼发光增强

二硫化钼(MoS₂)是一种层状的二维过渡金属硫族化合物材料,从块体到单层,禁带由间接带隙变为直接带隙,由于通常机械剥落的单层MoS₂是n型掺杂的,使得其发光效率仍然很低. 在本文中,采用匀胶机旋涂的方法将共振吸收峰在514 nm附近的纳米金颗粒尽可能均匀的铺在单层、双层以及多层的MoS₂样品表面,发现单层和双层样品的光致发光谱(PL谱)分别增强了约30倍和2倍同时伴随着峰位的蓝移,而多层样品的发光强度也略有增强. 拉曼特性揭示了纳米金颗粒对单层和双层MoS₂样品产生了明显的p型掺杂,从而增强了发光;同时纳米金颗粒的表面等离子激元效应对激发光的天线作用也是增强MoS₂的光致发光的一个因素. 关键词： 二硫化钼 光致发光 p型掺杂 Au纳米颗粒     

二维材料/铁电异质结构的研究进展

二维材料是一类具有原子层厚度的层状材料,拥有独特的电学、磁学、光学和力学性能.以石墨烯和过渡金属硫族化合物为代表的二维材料展现出迁移率高、能带可调、可见光透过率高等特点,是近年来微纳科学领域的前沿热点.将二维材料与各种功能材料,如SiO_2绝缘体、半导体、金属、有机化合物等结合,可以深化和拓宽二维材料的基础研究和应用.其中,铁电材料因具有自发极化、高介电常数、高压电系数等优点吸引了众多研究者的目光.二维/铁电复合材料很好地兼顾了二者的优点,不仅包含了磁电耦合效应、铁电场效应、晶格应变效应、隧穿效应、光电效应、光致发光效应等丰富的物理现象,而且在多态存储器、隧穿晶体管、光电二极管、太阳能电池、超级电容器、热释电红外探测器等器件中有广阔的应用前景,引起了学术界的广泛关注.本文选取典型的二维/铁电复合材料,重点介绍了这类材料界面处的物理机制、材料的性能以及应用前景,并对二维/铁电复合材料的研究进行了展望.     

化合物HoMn6Sn6的磁晶各向异性及自旋重取向相变研究

采用交换相互作用的分子场理论模型对金属间化合物HoMn₆Sn₆的自旋重取向相变进行了研究. 从理论上计算了HoMn₆Sn₆的易磁化方向以及Ho和Mn离子磁矩与c轴夹角随温度的变化. 基于单离子模型计算了Ho离子的一阶和二阶磁晶各向异性常数K_1R和K_2R随温度的变化. 研究表明，为了很好描述该化合物的自旋重取向相变，必须考虑Ho离子的四阶晶场项及相应的二阶磁晶各向异性常数K_2R，K_2R与K_1R和Mn离子磁晶各向异性常数K_1t之间的相互竞争是导致HoMn₆Sn₆自旋重取向相变的重要因素. 关键词： 稀土-过渡族金属间化合物 自旋重取向 磁晶各向异性