不同類型的材料組合可以得到不同類型的異質(zhì)結(jié),本文講述通過拉曼光譜,熒光壽命和光電流來反映異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)和載流子傳輸機(jī)制.利用共
聚焦拉曼技術(shù)對單一二維材料和復(fù)合材料異質(zhì)結(jié)進(jìn)行表征來觀察其結(jié)構(gòu).
最近看了些光電材料方面的文章,然后就發(fā)現(xiàn)科研領(lǐng)域取名字這塊還挺有趣的,有些學(xué)術(shù)名詞乍一看高深莫測,但其實(shí)了解了它的結(jié)構(gòu)之后
才恍然大悟,原來科學(xué)家們并非是在故弄玄虛,以光電材料中最基本的結(jié)構(gòu)之一異質(zhì)結(jié)為例,我們都知道異質(zhì)結(jié)是兩種不同的半導(dǎo)體相接觸
形成的界面區(qū)域,那大家猜猜何謂垂直異質(zhì)結(jié),何謂側(cè)向異質(zhì)結(jié)检激？何謂核殼異質(zhì)結(jié)？答案很簡單,顧名思義,當(dāng)兩種不同的半導(dǎo)體材料縱向
堆疊,此時(shí)形成的界面區(qū)域就是垂直異質(zhì)結(jié)叔收；當(dāng)一種半導(dǎo)體材料在x-y平面內(nèi)包含另一種半導(dǎo)體材料,此時(shí)形成的界面區(qū)域就是側(cè)向異質(zhì)
結(jié)；當(dāng)一種半導(dǎo)體材料在x-y-z空間內(nèi)包含另一種材料,此時(shí)形成的界面區(qū)域就是核殼異質(zhì)結(jié).
目前異質(zhì)結(jié)主要是由二維材料和石墨烯相互組合形成的,前段時(shí)間看了篇報(bào)道,是一些同行對一篇名為“Will Any Crap We Put into
Graphene Increase Its Electrocatalytic Effect?”論文的調(diào)侃,翻譯成中文就是“什么破爛東西都能提升石墨烯的催化性能傲隶？”為什么連作者
自己也給文章寫這樣的標(biāo)題呢,原來文章中是在石墨烯里摻雜鳥屎來提高它的催化性能,由此可見石墨烯已經(jīng)被科學(xué)家們研究得百毒不侵
了,但縱觀二維材料領(lǐng)域,過渡金屬二硫化物作為后起之秀大有直追青云之勢呀！所以本文關(guān)于異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu),性能表征這塊就以過渡金屬
二硫化物組合形成的異質(zhì)結(jié)為例向大家展示拉曼光譜,熒光壽命,光電流表征異質(zhì)結(jié)的結(jié)果.
拉曼光譜
陜西師范大學(xué)徐華老師等人合成ReS2/WS2垂直異質(zhì)結(jié),上圖a是光學(xué)顯微鏡下材料的實(shí)際圖片.圖b黃,紅,藍(lán)三條光譜分別對應(yīng)圖a中
ReS2,ReS2&WS2界面,WS2處.Eg,Ag拉曼特征峰分別代表平面內(nèi)振動(dòng)模式和平面外振動(dòng)模式.隨著層數(shù)的增加,Eg逐漸向低波數(shù)方向移
動(dòng),Ag逐漸向高波數(shù)方向移動(dòng),通過兩個(gè)振動(dòng)的位移差可以判定它的層數(shù).上圖b顯示了在異質(zhì)結(jié)晶粒中兩個(gè)相鄰區(qū)域和一維界面處獲得的
拉曼光譜.從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(xiàn)特征峰,這與單層ReS2一致.另外分
別位于355 cm-1（E12g）和418 cm-1（A1g）處的兩個(gè)拉曼峰,對應(yīng)于單層WS2.在ReS2和WS2界面區(qū)域獲取的拉曼光譜顯示ReS2和
WS2的拉曼峰,表明兩種不同材料的共存.
熒光壽命
說到熒光壽命,先說下熒光. 熒光光譜實(shí)際上是電子空穴對的復(fù)合發(fā)光光譜,當(dāng)入射光對材料進(jìn)行輻照,材料價(jià)帶中的電子吸收入射光能量
躍遷到導(dǎo)帶,產(chǎn)生電子空穴對,這時(shí)候去掉激發(fā)光,材料導(dǎo)帶中的電子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài),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(guān)系圖作出來,那么這個(gè)關(guān)系圖就是熒光光譜.電子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)經(jīng)歷的時(shí)間即為熒光壽命.為了評估異質(zhì)結(jié)中
載流子的分離和傳輸特性,可對異質(zhì)結(jié)進(jìn)行熒光壽命測試.
上圖紅藍(lán)黑色曲線分別對應(yīng)WS2,ReS2&WS2界面,ReS2的熒光壽命.可以看到ReS2的熒光壽命幾乎沒有信號,由于ReS2區(qū)域的壽命比
WS2和界面區(qū)域的信號弱得多,因此在這種泵浦探測波長下,無法從ReS2到WS2傳輸光生載流子.所以從WS2到ReS2的光生載流子的時(shí)
間動(dòng)力學(xué)可直接評估WS2&ReS2異質(zhì)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量.如上圖的插圖所示,藍(lán)色曲線的歸一化熒光壽命信號明顯比WS2區(qū)域（紅色曲線）的
衰減更快.根據(jù)能帶排列,WS2-ReS2界面形成II型半導(dǎo)體,其中WS2中激發(fā)的電子將轉(zhuǎn)移到ReS2.在這種情況下,由于層間轉(zhuǎn)移提供了額外
的載流子復(fù)合通道,因此有望縮短載流子的壽命.使用雙指數(shù)函數(shù),WS2區(qū)域的擬合壽命為20和288 ps,而界面區(qū)域的擬合壽命為11和67
ps.因此,熒光壽命結(jié)果有力地證明了光生載流子可以在異質(zhì)結(jié)的界面處有效分離.
光電流
光電流和熒光壽命可以說是彼此互補(bǔ)又很相似的表征.光生載流子壽命分為產(chǎn)生壽命和復(fù)合壽命,復(fù)合壽命即為上述提及的熒光壽命,
產(chǎn)生壽命就是載流子遷移時(shí)間,決定電荷定向移動(dòng)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輸機(jī)制.
參考文獻(xiàn)：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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