不同類型的材料組合可以得到不同類型的異質結,本文講述通過拉曼光譜,熒光壽命和光電流來反映異質結結構和載流子傳(chuan) 輸機製.利用共
聚焦拉曼技術對單一二維材料和複合材料異質結進行表征來觀察其結構.
最近看了些光電材料方麵的文章,然後就發現科研領域取名字這塊還挺有趣的,有些學術名詞乍一看高深莫測,但其實了解了它的結構之後
才恍然大悟,原來科學家們(men) 並非是在故弄玄虛,以光電材料中最基本的結構之一異質結為(wei) 例,我們(men) 都知道異質結是兩(liang) 種不同的半導體(ti) 相接觸
形成的界麵區域,那大家猜猜何謂垂直異質結,何謂側(ce) 向異質結？何謂核殼異質結？答案很簡單,顧名思義(yi) ,當兩(liang) 種不同的半導體(ti) 材料縱向
堆疊,此時形成的界麵區域就是垂直異質結；當一種半導體(ti) 材料在x-y平麵內(nei) 包含另一種半導體(ti) 材料,此時形成的界麵區域就是側(ce) 向異質
結；當一種半導體(ti) 材料在x-y-z空間內(nei) 包含另一種材料,此時形成的界麵區域就是核殼異質結.
目前異質結主要是由二維材料和石墨烯相互組合形成的,前段時間看了篇報道,是一些同行對一篇名為(wei) “Will Any Crap We Put into
Graphene Increase Its Electrocatalytic Effect?”論文的調侃,翻譯成中文就是“什麽(me) 破爛東(dong) 西都能提升石墨烯的催化性能？”為(wei) 什麽(me) 連作者
自己也給文章寫(xie) 這樣的標題呢,原來文章中是在石墨烯裏摻雜鳥屎來提高它的催化性能,由此可見石墨烯已經被科學家們(men) 研究得百毒不侵
了,但縱觀二維材料領域,過渡金屬二硫化物作為(wei) 後起之秀大有直追青雲(yun) 之勢呀！所以本文關(guan) 於(yu) 異質結的結構,性能表征這塊就以過渡金屬
二硫化物組合形成的異質結為(wei) 例向大家展示拉曼光譜,熒光壽命,光電流表征異質結的結果.
拉曼光譜
陝西師範大學徐華老師等人合成ReS2/WS2垂直異質結,上圖a是光學顯微鏡下材料的實際圖片.圖b黃,紅,藍三條光譜分別對應圖a中
ReS2,ReS2&WS2界麵,WS2處.Eg,Ag拉曼特征峰分別代表平麵內(nei) 振動模式和平麵外振動模式.隨著層數的增加,Eg逐漸向低波數方向移
動,Ag逐漸向高波數方向移動,通過兩(liang) 個(ge) 振動的位移差可以判定它的層數.上圖b顯示了在異質結晶粒中兩(liang) 個(ge) 相鄰區域和一維界麵處獲得的
拉曼光譜.從(cong) ReS2處收集的拉曼光譜在150 cm-1（Eg）,308 cm-1（Eg）和213 cm-1（Ag）處出現特征峰,這與(yu) 單層ReS2一致.另外分
別位於(yu) 355 cm-1（E12g）和418 cm-1（A1g）處的兩(liang) 個(ge) 拉曼峰,對應於(yu) 單層WS2.在ReS2和WS2界麵區域獲取的拉曼光譜顯示ReS2和
WS2的拉曼峰,表明兩(liang) 種不同材料的共存.
熒光壽命
說到熒光壽命,先說下熒光. 熒光光譜實際上是電子空穴對的複合發光光譜,當入射光對材料進行輻照,材料價(jia) 帶中的電子吸收入射光能量
躍遷到導帶,產(chan) 生電子空穴對,這時候去掉激發光,材料導帶中的電子從(cong) 激發態回到基態,緩慢放出較長波長的光,放出的這種光就叫熒光.如
果把熒光的能量--波長關(guan) 係圖作出來,那麽(me) 這個(ge) 關(guan) 係圖就是熒光光譜.電子從(cong) 激發態回到基態經曆的時間即為(wei) 熒光壽命.為(wei) 了評估異質結中
載流子的分離和傳(chuan) 輸特性,可對異質結進行熒光壽命測試.
上圖紅藍黑色曲線分別對應WS2,ReS2&WS2界麵,ReS2的熒光壽命.可以看到ReS2的熒光壽命幾乎沒有信號,由於(yu) ReS2區域的壽命比
WS2和界麵區域的信號弱得多,因此在這種泵浦探測波長下,無法從(cong) ReS2到WS2傳(chuan) 輸光生載流子.所以從(cong) WS2到ReS2的光生載流子的時
間動力學可直接評估WS2&ReS2異質結構的質量.如上圖的插圖所示,藍色曲線的歸一化熒光壽命信號明顯比WS2區域（紅色曲線）的
衰減更快.根據能帶排列,WS2-ReS2界麵形成II型半導體(ti) ,其中WS2中激發的電子將轉移到ReS2.在這種情況下,由於(yu) 層間轉移提供了額外
的載流子複合通道,因此有望縮短載流子的壽命.使用雙指數函數,WS2區域的擬合壽命為(wei) 20和288 ps,而界麵區域的擬合壽命為(wei) 11和67
ps.因此,熒光壽命結果有力地證明了光生載流子可以在異質結的界麵處有效分離.
光電流
光電流和熒光壽命可以說是彼此互補又很相似的表征.光生載流子壽命分為(wei) 產(chan) 生壽命和複合壽命,複合壽命即為(wei) 上述提及的熒光壽命,
產(chan) 生壽命就是載流子遷移時間,決(jue) 定電荷定向移動的光電流大小.所以光電流也可以用來研究載流子分離和傳(chuan) 輸機製.
參考文獻：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.
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