二硫化钨太赫兹波段载流子特性及太赫兹发射光谱研究

发布时间：2020-06-09 19:49

【摘要】：过渡金属硫族化物为典型的层状类石墨烯二维材料,研究发现它们具有可调的能带带隙以及光学选择性的能谷电子,为新型二维光电子器件的研究提供了全新的方向。二硫化钨(tungsten disulfide,WS_2)为典型的层状过渡金属硫族化物,表现出较强的二次谐波、层数依赖的光致发光、较大的自旋分裂和激子结合能等,使其在高性能微纳集成电子器件中崭露头角。同时亚皮秒量级的超快载流子特性使其有望在太赫兹波段研制高性能太赫兹光电响应器件。太赫兹光谱技术为探测和研究半导体材料的太赫兹光电响应性能提供了无接触和高效率的研究手段。但是,基于WS_2材料的优异光电性能及其在太赫兹波段的研究目前少有报道。本论文采用太赫兹光谱技术研究了WS_2材料在太赫兹波段的光电响应及基于WS_2材料的太赫兹发射光谱特性,为层状过渡金属硫族化物在太赫兹功能器件的研究和发展提供良好的基础,可以进一步推进太赫兹技术的发展。本论文的主要工作和创新点如下:(1)WS_2材料的太赫兹静态光学常数(吸收和折射率)和动态载流子动力学过程的研究。通过太赫兹透射光谱系统测试了透过WS_2材料的太赫兹时域光谱,通过参数计算方法,获得太赫兹波段的折射率和吸收系数等光学参数。通过光泵浦-太赫兹探测系统测试,分析获得了WS_2材料动态载流子弛豫过程,分析了光泵浦下太赫兹复电导率与入射泵浦光的关系。相关研究成果的论文正在整理中。(2)块状WS_2晶体太赫兹发射光谱特性研究。通过反射和透射构型的太赫兹发射光谱系统研究了800 nm飞秒激光激发下WS_2晶体表面的太赫兹辐射特性。通过研究发现在不同入射偏振光激发下,仅产生p偏振方向的太赫兹波辐射,且随着泵浦功率的增加,其太赫兹辐射电场强度出现饱和效应。而这些结果完全不同于在同样实验条件下的基于光整流效应的二硫化钼晶体,尽管两者具有相似的物理结构和光电子特性。通过改变WS_2样品的方位角发现太赫兹辐射电场强度与方位角(φ)变化不敏感,几乎保持不变。我们通过第一性原理计算,发现WS_2中非线性系数d_(22)几乎为零,而d_(22)决定了光整流效应的3φ旋转对称性。通过分析泵浦光偏振角与太赫兹辐射电场强度的依赖关系,计算出非线性效应的贡献约为12%。以上结果说明WS_2晶体表面的太赫兹辐射主要由表面态引起的表面场导致的。通过分析其表面场特征,其最大的表面场近似为1.2×10~5 V/cm。该研究成果不仅可以为层状材料的太赫辐射特性研究提供良好基础,而且可以促进基于层状材料的太赫兹器件发展。该部分内容已经发表在Physical Review B期刊上。(3)少层WS_2的太赫兹发射光谱特性研究。具有优异自旋极化特性的层状过渡金属硫族化物为自旋电子学和谷电子学的发展铺平了道路。在此,采用线偏振和圆偏振800 nm入射泵浦光分别激发少层WS_2表面,对产生偏振态依赖的太赫辐射特性进行了分析。通过线偏振光激发过程,初步验证了表面内建电场使得界面电位梯度发生变化,从而在布里渊区Γ点周围引起Rashba自旋分裂。当圆偏振光激发时,其动量空间中的电荷不对称分布将导致面内自旋极化电流,从而产生圆偏振太赫兹辐射。这些结果不仅为自旋极化瞬态光电流的测量提供了新的非接触式检测方法,而且为层状过渡金属硫族化物在自旋/谷电子特性的研究提供了理论基础。相关研究成果的论文正在整理中。(4)单层WS_2的太赫兹发射光谱特性研究。纳米材料的偏振太赫兹发射研究不仅开辟了新兴的“TeraNano”交叉学科,而且为非线性光学过程研究提供了新的工具。在此,首先在室温下,分别通过线偏振和圆偏振激光激发方式,研究了单层WS_2的太赫兹辐射机制。结果表明,在800 nm飞秒激光的激发下,偏振太赫兹发射主要是基于面内非线性偶极子的光整流效应产生,这与块状WS_2晶体的机制不同。并结合实验和理论验证了太赫兹辐射电场强度与方位角和入射偏振角的依赖关系。此外,基于圆偏振光激发下的非共振非线性过程,观测到可控的椭圆偏振太赫兹发射,其最大椭圆率e≈0.52。清楚地了解二维材料的太赫兹辐射机制将有助于二维太赫兹光电子集成器件的进一步设计、优化和偏振控制。该部分内容已经发表在Advanced Optical Materials期刊上。
【图文】：

二硫化钨,二维材料,光电特性,电学性质

图1按电学性质分类的常见二维材料[7]2二硫化钨结构及其光电特性及应用.1 二硫化钨结构特性层状 WS2是典型的二维层状类石墨烯材料，具有密排六方蜂窝状结构，其单层由上下两层硫原子和中间层钨原子以类三明治结构组成。层内钨和硫原子之间较强的共价键结合，结构稳定；层间分子以微弱的范德瓦尔斯力结合，其结构示如图 2（a）所示。WS2也是典型的可调带隙半导体，随着层数减少至单层，层S2由间接带隙半导体转变为直接带隙半导体，其带隙从 1.3 eV 到 2.1 eV，最大开/关比达到 106，最大电子迁移率达 300 cm2V-1s-1[17]。通过原子力显微镜观察单纳米薄膜状的 WS2，其晶格通常呈现正三角形状，如图 2（b）所示，部分区域堆叠而形成较大面积的薄膜。当堆叠厚度达到微米量级时，形成 WS2块状晶体

示意图,原子力显微镜,块状,晶体结构

且通过不同的温度和压强条件，其结构可以进行互相转换[18]。六方晶系堆构是最常见和最稳定的结构。其六方晶系结构如图 2（d）所示，，每上下两层原构互为空间反演对称，按 A-B 模式堆叠而成，a 和 c 分别为晶格常数。该结构类块状晶体和偶数层材料具有中心对称性。通常制备纳米层状WS2的方法主要有自上而下（top-down）和自下而上（bottom种方法。自上而下即通过破坏层间的范德瓦尔斯力，使层与层之间进行分离，主括机械剥离法[19]和液相剥离法[20]。其中机械剥离的样品质量好，面积大，但产，一般用于实验研究。液相剥离法是将材料粉末分散在溶剂中，利用超声波、微波切力等手段辅助剥离，经过静置或离心分离得到无结构缺陷的单层、少层的纳米方法能进行大规模的量化生产。自下而上的方法主要为化学气相沉积法，即在基面“从无到有”的化学合成原子尺寸厚度的二维材料，该方法能获得高质量，大面二维材料而备受关注，且通过控制生长方法的参数可获得层数可控，掺杂调控的层状 WS2材料[21]。
【学位授予单位】：西北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O433;TB34;O441.4

【参考文献】