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刘开辉课题组:二维材料结构不依赖的层间电荷转移——超快纳米光谱学研究

近日,北京大学刘开辉研究员和施可彬研究员、中科院物理所孟胜研究员、清华大学焦丽颖教授、浙江大学金传洪教授等人合作,完成了双色超快激光泵浦-探测技术的搭建,并应用该技术首次在实验上发现了过渡金属硫化物双层纵向异质结间电荷转移具有不受层间堆垛方式影响的超强稳定性,电荷转移时间总是在~90 fs。相关研究成果发表于ACS Nano


范德华耦合二维层状材料异质结在新一代光电探测、太阳能电池、柔性电极等领域均具有广阔的应用前景,成为大家密切关注和研究的热点明星材料体系。异质结层间的电荷转移过程直接决定了异质结器件的光电转换效率和响应速度,对于异质结器件的设计、优化至关重要。理论计算表明,理想堆垛的过渡金属硫化物异质结层间的电荷转移具有极强的堆垛依赖性。然而,层间堆垛方式的精确控制至今仍然是技术难题,这对于异质结的实际设计十分不利。


在该工作中,作者深入研究了二维异质结的典型代表材料双层MoS2/WS2中的层间电荷转移超快动力学过程,分析了不同堆垛方式下双层MoS2/WS2中层间电荷转移的物理过程及其机理。研究发现,不同堆垛情况下的层间电荷转移一直保持非常快的时间尺度(~90 fs),不随堆垛方式和层间耦合强度变化。原子级分辨率扫描透射电子显微镜(STEM)和含时密度泛函(TDDFT)的第一性原理量子动力学模拟计算揭示了异质结中稳定电荷转移起源于实验样品的复杂界面环境:异质结材料界面存在局域的层间拉伸和滑移,导致界面产生多种堆垛方式混合,从而提供了电荷转移的多种通道。测量的电荷转移时间由最快的通道决定,总是表现出超快的行为。该工作的研究阐明了异质结中不同堆垛方式下稳定电荷转移的物理机理,对理解异质结层间光激发电子、空穴的动力学过程及其在超快光电子器件和高效率光伏器件的实际应用中具有重要的意义。

百飞秒分辨双色光泵浦-探测技术研究双层MoS2/WS2 层间电荷转移


该论文的共同第一作者为纪子衡洪浩张进张琪,相关工作得到自然科学基金委优青基金、面上基金,科技部重点研发计划,中组部青年千人的经费支持。


该论文作者为:Ziheng Ji, Hao Hong, Jin Zhang, Qi Zhang, Wei Huang, Ting Cao, Ruixi Qiao, Can Liu, Jing Liang, Chuanhong Jin, Liying Jiao, Kebin Shi, Sheng Meng and Kaihui Liu

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Robust Stacking-Independent Ultrafast Charge Transfer in MoS2/WS2 Bilayers

ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b04541


导师介绍

焦丽颖

http://www.x-mol.com/university/faculty/11999

孟胜

http://www.x-mol.com/university/faculty/41632

刘开辉

http://www.x-mol.com/university/faculty/46696

金传洪

http://www.x-mol.com/university/faculty/47826


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