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.     

As/HfS2范德瓦耳斯异质结电子光学特性及量子调控效应

两种或两种以上的单层材料堆垛成范德瓦耳斯异质结是实现理想电子及光电子器件的有效策略.本文选用As单层及HfS₂单层,采用6种堆垛方式构建As/HfS₂异质结,并选取最稳结构,利用杂化泛函HSE06系统地研究了其电子和光学性质以及量子调控效应.计算发现,As/HfS₂本征异质结为Ⅱ型能带对齐半导体,且相对两单层带隙(>2.0 eV)能明显减小(约0.84 eV),特别是价带偏移(VBO)和导带偏移(CBO)可分别高达1.48 eV和1.31 eV,非常有利于研发高性能光电器件和太阳能电池.垂直应变能有效调节异质结的能带结构,拉伸时带隙增大,并出现间接带隙到直接带隙的转变现象,而压缩时,带隙迅速减少直到金属相发生.外加电场可以灵活地调控异质结的带隙及能带对齐方式,使异质结实现Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型之间的转变.此外,As/HfS₂异质结在可见光区域有较强的光吸收能力,且可通过外加电场和垂直应变获得进一步提高.这些结果表明As/HfS₂异质结构在电子器件、光电子器件和光伏电池领域具有潜...     

二维材料的新奇物理及异质结的能带调控

以石墨烯为代表的层状材料具备显著区别于三维材料的新奇物理特性。更为重要的是,原子级平整的二维材料使得科学家们可以将不同的二维材料通过堆垛或者把相同的二维材料通过堆垛加扭转构成范德瓦耳斯异质结。通过层间耦合作用,可对异质结的能带结构和物理性质进行有效调控,从而衍生出单个二维材料所不具备的新奇物性。范德瓦耳斯异质结的能带调控极大地拓宽了二维材料的科学研究和应用前景。     

钙钛矿CsPbX3(X=Cl,Br,I)与五环石墨烯范德瓦耳斯异质结的界面相互作用和光电性能的第一性原理研究

异质结工程是一种提高半导体材料光电性能的有效方法.本文构建了全无机钙钛矿CsPbX₃(X=Cl,Br,I)和二维五环石墨烯penta-graphene(PG)的新型范德瓦耳斯(vdW)异质结,利用第一性原理研究了CsPbX₃-PG异质结不同界面接触的稳定性,进而计算了稳定性较好的Pb-X接触界面异质结的电子结构和光电性能.研究结果表明,CsPbX₃-PG(X=Cl,Br,I)异质结具有II型能带排列特征,能级差距由Cl向I逐渐缩小,具有良好的光生载流子分离能力和电荷输运性质.此外,研究发现CsPbX₃-PG异质结能有效拓宽材料的光吸收谱范围,并能显著提高其光吸收能力,尤其是CsPbI₃具有最优的光吸收性能.经理论估算,CsPbX₃-PG的光电功率转换效率(PCE)可高达21%.这些结果表明,全无机金属卤化物钙钛矿CsPbX₃-PG异质结可以有效地提高半导体材料的光电性能,预期在光电转换器件中具有重要的应用潜力.     

二维平面和范德瓦耳斯异质结的可控制备与光电应用

自石墨烯被发现以来,二维材料因其优异的特性获得了持续且深入的探索与发展,以石墨烯、六方氮化硼、过渡金属硫化物、黑磷等为代表的二维材料相关研究层出不穷.随着二维新材料制备与应用探索的不断发展,单一材料性能的不足逐渐凸显,研究者们开始考虑采用平面拼接和层间堆垛所产生的协同效应来弥补单一材料的不足,甚至获得一些新的性能.利用二维材料晶格结构的匹配构建异质结,实现特定的功能化,或利用范德瓦耳斯力进行堆垛,将不同二维材料排列组合,从而在体系里引入新的自由度,为二维材料的性质研究和实际应用打开了新的窗口.本文从原子制造角度,介绍了二维平面和范德瓦耳斯异质结材料的可控制备和光电应用.首先简要介绍了应用于异质结制备的常见二维材料的分类及异质结的相关概念,然后从原理上分类列举了常用的表征方法,随后介绍了平面和垂直异质结的制备方法,并对其光电性质及器件应用做了简要介绍.最后,对领域内存在的问题进行了讨论,对未来发展方向做出了展望.     

应变和电场对Ga2SeTe/In2Se3异质结电子结构和光学性质的影响

异质结构的构筑与堆垛是新型二维材料物性调控及应用的有效策略.基于密度泛函理论的第一性原理计算,本文研究了4种不同堆叠构型的新型二维Janus Ga₂SeTe/In₂Se₃范德瓦耳斯异质结的电子结构和光学性质. 4种异质结构型均为Ⅱ型能带结构的间接带隙半导体,光致电子的供体和受体材料由二维In₂Se₃的极化方向决定.光吸收度在可见光区域高达25%,有利于太阳可见光的有效利用.双轴应变可诱导直接-间接带隙转变,外加电场能有效调控异质结构带隙,使AA2叠加构型的带隙从0.195 eV单调增大到0.714 eV,AB2叠加构型的带隙从0.859 eV单调减小到0.058 eV,两种调控作用下异质结的能带始终保持Ⅱ型结构.压缩应变作用下的异质结在波长较短的可见光区域表现出更优异的光吸收能力.这些研究结果揭示了Janus Ga₂SeTe/In₂Se₃范德瓦耳斯异质结电子结构的调控机理,为新型光电器件的设计提供理论指导.     

表面预处理对石墨烯上范德瓦耳斯外延生长GaN材料的影响

基于范德瓦耳斯外延生长的氮化镓/石墨烯材料异质生长界面仅靠较弱的范德瓦耳斯力束缚,具有低位错、易剥离等优势,近年来引起了人们的广泛关注.采用NH_3/H_2混合气体对石墨烯表面进行预处理,研究了不同NH_3/H_2比对石墨烯表面形貌、拉曼散射的影响,探讨了石墨烯在NH_3和H_2混合气氛下的表面预处理机制,最后在石墨烯上外延生长了1.6μm厚的GaN薄膜材料.实验结果表明:石墨烯中褶皱处的C原子更容易与气体发生刻蚀反应,刻蚀方向沿着褶皱进行;适当NH_3/H_2比的混合气体对石墨烯进行表面预处理可有效改善石墨烯上GaN材料的晶体质量.本研究提供了一种可有效提高GaN晶体质量的石墨烯表面预处理方法,可为进一步研究二维材料上高质量的GaN外延生长提供参考.     

准二维范德瓦耳斯磁性半导体CrSiTe3的THz光谱

准二维范德瓦耳斯磁性材料CrSiTe₃同时具有本征磁性与半导体能带结构,在光电子学和纳米自旋电子学领域中具有广泛的应用,近年来吸引了广大科研工作者的兴趣.利用超快太赫兹光谱技术,本文对准二维范德瓦耳斯铁磁半导体CrSiTe₃进行了系统的研究,包括太赫兹时域光谱,光抽运-太赫兹探测光谱及太赫兹发射光谱.实验结果表明,样品的太赫兹电导率随温度的变化表现得十分稳定,且样品ab面对太赫兹波的响应呈现为各向同性; 800nm光抽运后的光生载流子表现为一种双指数形式的弛豫变化,复光电导率可以用Drude-Smith模型很好地拟合,光载流子的弛豫过程由电子-空穴对的复合所主导;飞秒脉冲入射到样品表面后可以产生太赫兹辐射,且具有0—2THz的带宽.本文给出了CrSiTe₃在光学及太赫兹波段的光谱,为其在电子及光电子器件方面的设计和优化提供了借鉴与参考.     

非对称氧掺杂对石墨烯/二硒化钼异质结肖特基势垒的调控

在纳米逻辑器件中,制造低的肖特基势垒仍然是一个巨大的挑战.本文采用密度泛函理论研究了非对称氧掺杂对石墨烯/二硒化钼异质结的结构稳定性和电学性质的影响.结果表明石墨烯与二硒化钼形成了稳定的范德瓦耳斯异质结,同时保留了各自的电学特性,并且形成了0.558 eV的n型肖特基势垒.此外,能带和态密度数据表明非对称氧掺杂可以调控石墨烯/二硒化钼异质结的肖特基接触类型和势垒高度.当氧掺杂在界面内和界面外时,随着掺杂浓度的增大,肖特基势垒高度都逐渐降低.特别地,当氧掺杂在界面外时, n型肖特基势垒高度可以降低到0.112 eV,提高了电子的注入效率.当氧掺杂在界面内时, n型肖特基接触转变为欧姆接触.平面平均电荷密度差分显示随着掺杂浓度的增大,界面电荷转移数量逐渐增多,导致费米能级向二硒化钼导带底移动,证实了随着氧掺杂浓度增大肖特基势垒逐渐降低,并由n型肖特基向欧姆接触的转变.研究结果将对基于石墨烯的范德瓦耳斯异质结肖特基势垒调控提供理论指导.     

不同堆垛结构二硫化铼/石墨烯异质结的光电化学特性

能源及污染是新时代所面临的重要难题,光催化技术可通过电解水产氢以及降解有机物污染物,在一定程度上解决此问题.而制备光催化活性较好、光生载流子分离效率高的光催化剂是这项技术的关键.本文采用液相剥离法结合电泳沉积法制备得到具有不同堆垛结构的二硫化铼-石墨烯(ReS2-Gra,ReS2在上)与石墨烯-二硫化铼(Gra-ReS...     

过渡金属二硫化物/三卤化铬范德瓦耳斯异质结的反折叠能带

过渡金属二硫化物MX₂/三卤化铬CrX₃组成的范德瓦耳斯异质结能有效操控MX₂的谷极化,在能谷电子学中有广泛的应用前景.本文结合第一性原理和k投影能带反折叠方法比较研究了MoSe₂/CrI₃, MoSe₂/CrBr₃和WS₂/CrBr₃三种磁性范德瓦耳斯异质结的堆垛和电子结构,探索了体系谷极化产生的物理机理.计算了异质结不同堆垛的势能面,确定了稳定的堆垛构型,阐明了时间/空间反演对称破缺对体系电子结构的影响.由于轨道杂化,磁性异质结的导带情况复杂,且MoSe₂/CrI₃体系价带顶发生明显变化,不能与单层MX₂直接对比.而借助于反折叠能带,计算清晰揭示了CrX₃对MX₂电子结构的影响,定量地获得了MX₂的能谷劈裂,并发现层间距和应变可以有效调控能谷劈裂.当层间距减...     

二维Janus结构的PdSSe/石墨烯接触特性的第一性原理探究

Janus结构由于其两侧的原子不同,存在一个内建电场.在本工作中,将具有Janus结构的六角PdSSe与石墨烯复合,构成范德瓦尔斯异质结构.通过基于密度泛函理论的第一性原理计算对其几何结构和电子结构进行了研究.计算中考虑了两种堆叠方式,即Se侧与石墨烯接触和S侧与石墨烯接触.当S侧与石墨烯接触时,体系具有更小的平衡间距和更大的电荷转移,结合能更低. S侧与石墨烯接触时形成了为n型欧姆接触;Se侧与石墨烯接触时形成了势垒极低的n型肖特基接触.最后,讨论了垂直应变对接触特性的影响.通过施加垂直应变,PdSSe/石墨烯的接触类型具有显著的可调性.     

La0.88 Te0.12 MnO3/Si异质结的整流和光伏特性研究

采用脉冲激光沉积法制备了La_0.88Te_0.12MnO₃(LTMO)/Si异质结,该异质结具有光生伏特效应和良好的整流特性.光生电压在394 μs的时间内很快增加到最大值然后逐渐减小.在T=80 K时,光生电压的最大值大约是13.7 mV.随着温度的升高,热涨落致使光生电压最大值总体呈现减小趋势,而且是非线性减小,这主要是由LTMO层发生金属绝缘体转变而导致的LTMO层能带结构的变化引起的. 关键词： 异质结 光生伏特效应 电子掺杂     

二硫化钨/石墨烯异质结的界面相互作用及其肖特基调控的理论研究

采用第一性原理方法研究了二硫化钨/石墨烯异质结的界面结合作用以及电子性质,结果表明在二硫化钨/石墨烯异质结中,其界面相互作用是微弱的范德瓦耳斯力.能带计算结果显示异质结中二硫化钨和石墨烯各自的电子性质得到了保留,同时,由于石墨烯的结合作用,二硫化钨呈现出n型半导体.通过改变界面的层间距可以调控二硫化钼/石墨烯异质结的肖特基势垒类型,层间距增大,肖特基将从p型转变为n型接触.三维电荷密度差分图表明,负电荷聚集在二硫化钨附近,正电荷聚集在石墨烯附近,从而在界面处形成内建电场.肖特基势垒变化与界面电荷流动密切相关,平面平均电荷密度差分图显示,随着层间距逐渐增大,界面电荷转移越来越弱,且空间电荷聚集区位置向石墨烯层方向靠近,导致费米能级向上平移,证实了肖特基势垒随着层间距的增加由p型接触向n型转变.本文的研究结果将为二维范德瓦耳斯场效应管的设计与制作提供指导.     

层间电荷转移增强二硫化铼/石墨烯异质结薄膜的反饱和吸收特性

提高二维纳米材料的非线性光学响应,推动非线性光学在光电子领域的应用,是当前的一项巨大挑战,而构建高质量的范德瓦耳斯异质结,研究其非线性光学响应的内在机理,是解决途径之一.本文采用液相剥离结合真空抽滤技术,选择不同的混合方式(粉末混合、超声后混合、离心后混合),构建了三种二硫化铼/石墨烯异质结薄膜,并利用拉曼光谱仪、近红...     

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.     

基于AsP/MoS2异质结的偏振光电探测器

线偏振光的探测能力是评价偏振光电探测器件的重要指标。黑砷磷(AsP)是一种较为稳定的平面内各向异性材料,由于其面内结构各向异性,其对线偏振光较为敏感,在偏振探测领域有着重要的应用潜力。本文介绍了一种基于AsP/MoS2的高度偏振敏感光电探测器。由于AsP各向异性的光吸收、MoS2有效的载流子收集和输运能力以及范德华异质结对暗电流的抑制作用,该光电探测器实现了大于300的电流开关比,0.27 A/W的电流光响应度以及2×10^10 Jones的比探测率。更重要的是,此类光电探测器在638 nm波段实现了高达3.06二向色性比的偏振特性。这些实验结果表明AsP/MoS2异质结构在偏振光电探测领域有着广阔的应用前景。     

电场对PtO2/MoS2范德瓦尔斯异质结电子结构调控

本文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了外电场对PtO2/MoS2范德瓦尔斯异质结电子结构的调控,发现当层间距d=2.83 ?时异质结结构最稳定,且表现为Ⅱ型间接带隙半导体,其带隙为0.68 eV.通过施加垂直平面方向电场可有效调控PtO2/MoS2异质结电子结构,当外电场为-1V/?时,发生半导体-金属相变...     

Al2O3增强的Co2-C98/Al2O3/Si异质结的光伏效应

随着能源危机的加剧,太阳能电池作为开发和利用太阳能的一种普遍形式, 日益受到世界各国的重视.随着太阳能电池向着高效率、薄膜化、无毒性和原材料丰富的方向发展, 单纯的硅系太阳能电池已经无法达到这样的要求,因此新的材料和工艺的开发利用迫在眉睫. 本文研究了碳材料在硅异质节上实现光伏效应的改善及其可能在太阳能电池上的应用. 采用脉冲激光沉积方法制备的Co₂-C₉₈/Al₂O₃/Si异质结构在标准日光照射 (AM1.5, 100 mW/cm²)条件下,可获得0.447 V的开路电压和18.75 mA/cm²的电流密度, 转换效率可达3.27%.通过电容电压特性和暗条件下的电输运性能测量, 证明了氧化铝层的引入不但对单晶硅的表面起到了物理钝化作用,减小了反向漏电流, 使异质结界面缺陷、界面能级和复合中心减少,还起到了场效应钝化作用, 增加了异质结界面的势垒高度,增加了开路电压,使异质结的光伏效应显著增强.     

电场对PtO2/MoS2范德瓦尔斯异质结电子结构调控

本文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了外电场对PtO2/MoS2范德瓦尔斯异质结电子结构的调控,发现当层间距d=2.83Å时异质结结构最稳定,且表现为Ⅱ型间接带隙半导体,其带隙为0.68 eV。通过施加垂直平面方向电场可有效调控PtO2/MoS2异质结电子结构,当外电场为-1 V/Å时,发生半导体-金属相变。这些研究结果表明PtO2/MoS2异质结在新型二维材料光电纳米器件方面具有广泛应用前景。