层状二硫化钼材料的太赫兹发射光谱研究

发布时间：2020-10-10 08:14

　　自石墨烯在2004年被发现以来,二维材料以其优异的光电特性在凝聚态物理、材料科学、纳米科学等领域引起了研究人员的广泛关注。层状二硫化钼(molybdenum disulfide,MoS_2)作为一种典型的二维材料,具有与石墨烯不同且互补的物理特性,如层数可调控的能带结构与禁带宽度,单层高量子效率的光致发光,皮秒量级超快的光电响应,布里渊区的谷选择性,超高的激子束缚能等。这些独特的性质使得MoS_2在晶体管、光电探测器、光伏器件、发光二极管等器件中得到了广泛的应用。由于MoS_2的许多物理与化学过程都发生在表面与界面,因此其表面和界面特性决定了光电器件的响应与性能。太赫兹发射光谱是一种灵敏、非接触式表征材料表面与界面特性的光谱手段,包含振幅、波形、相位、偏振、极性等丰富的光谱信息,并具有亚皮秒量级的时间分辨率与微米到纳米量级的空间分辨率。基于此,本文通过分析层状MoS_2材料产生太赫兹辐射的特性与物理机理来研究MoS_2的表面和界面特性,主要工作与创新点如下:(1)总结了石墨烯、过渡金属硫族化合物、拓扑绝缘体、杂化钙钛矿材料太赫兹发射光谱的研究进展。与传统半导体材料不同,这四类新型材料具有丰富的表界面信息,超快的光电流响应,较高的非线性系数,独特的表面态响应等物理性质,对其太赫兹发射光谱的研究不但可以促进新型太赫兹辐射源的发展,还可实现对层状材料表、界面特性的表征。这部分内容已作为“Topical Review”发表在Journal of Physics:Condensed Matter期刊上(SCI二区)。(2)太赫兹光谱系统的搭建。自主搭建了基于飞秒激光的太赫兹时域光谱、光学泵浦-太赫兹探测、太赫兹发射光谱三套实验系统,并介绍了飞秒激光器系统,太赫兹系统的搭建步骤与信噪比优化过程,电光探测太赫兹时域信号的原理,太赫兹不同偏振分量的采集等。这部分内容是开展MoS_2太赫兹发射光谱特性研究的实验基础,有助于加深对后续工作实验部分的理解,并为其它光谱系统的搭建提供了参考。(3)层状MoS_2晶体的反射型太赫兹发射光谱特性的研究。利用反射型太赫兹发射光谱系统研究了MoS_2晶体的表面特性,发现其表面对称性破缺引起的表面光整流效应是MoS_2辐射太赫兹波的主要机理。并根据太赫兹辐射关于MoS_2晶体方位角、入射光偏振角、泵浦功率等依赖关系在理论上验证了实验结果。此外,结合MoS_2的太赫兹辐射光谱和拉曼(Raman)光谱在微观下分析了MoS_2表面化学键的断裂与形成,并得到MoS_2的飞秒激光损伤阈值为5.66 mJ/cm~2。这是首次在过渡金属硫族化合物中观察到的太赫兹辐射,并且系统分析了影响MoS_2二阶非线性极化强度的因素,为基于MoS_2非线性光学器件的应用提供了理论参考。相关研究结果已在ACS Applied MaterialsInterfaces期刊上发表(SCI一区)。(4)层状MoS_2晶体的透射型太赫兹发射光谱特性的研究。基于入射角度可调的透射型太赫兹表面发射光谱,我们发现在泵浦光垂直入射时MoS_2晶体表面对称性破缺引起的共振光整流效应对太赫兹辐射的贡献比例约为90%。在入射角度为-40~o时,共振光整流效应的贡献比例降至40%,这是由于斜入射情况下表面电场(耗尽层电场)引起的瞬态光电流效应对太赫兹辐射的贡献。在表面电场中,光生载流子数量的增多会引起静电屏蔽效应,因此太赫兹振幅随着泵浦功率的增大呈饱和趋势。这一趋势可由基于电磁场边界条件的计算得到一致的拟合。此外,通过对比MoS_2和GaAs的太赫兹发射光谱可以得出MoS_2晶体的载流子类型是p型,这种表征方法不需要外加电极与损伤样品,相比传统基于霍尔效应的测量方法更加方便。相关研究结果已在The Journal of Physical Chemistry C期刊上发表(SCI二区)。(5)层状MoS_2晶体的椭偏型太赫兹发射光谱特性的研究。传统的观点认为自旋-轨道耦合引起的自旋分裂和自旋极化只能发生在对称破缺的材料中。在本文的研究工作中,利用椭偏型太赫兹发射光谱可以在中心对称的MoS_2晶体中观察到圆偏振光旋转方向敏感的超快光电流,这是自旋-轨道耦合引起的能带分裂与圆偏振光激发下光学跃迁选择定则共同作用的结果。MoS_2晶体的自旋极化来源于钼原子点群不对称性引起的局域Dresselhaus效应,这一自旋极化可引起光生载流子在动量空间的不对称分布并产生超快圆偏振光致电流,从而向外辐射椭圆偏振的太赫兹波。这一工作不但利用光学方法实现对中心对称层状二维材料自旋极化的控制,并提出太赫兹发射光谱可作为一种灵敏、非接触式探究二维材料自旋物理特性的手段。相关研究结果已投稿于Physical Review Letters期刊。(6)单层MoS_2及石墨烯/MoS_2异质结的太赫兹发射光谱。由于单层与块体MoS_2能带结构的差异,泵浦光的光子能量(1.55 eV@800 nm)介于两种结构的带隙之间(1.29 eV与1.9 eV),同一波长泵浦下可能会在单层与块体MoS_2中引起不同的物理过程。通过波长可调的太赫兹发射光谱可得,在1.55 eV泵浦光激发单层MoS_2时引起太赫兹辐射的物理机理为非共振光整流效应。而用3.1 eV泵浦时则产生瞬态变化的光致电流(文献上称为移位电流(shift current)),该瞬态电流是单层MoS_2太赫兹辐射的主要机理,并且和1.55 eV泵浦时相比太赫兹振幅得到了增强。此外,对比单层MoS_2的太赫兹发射光谱,构建石墨烯/MoS_2异质结也有效提高了太赫兹辐射效率。这是由于石墨烯中光牵引电流与MoS_2中非线性极化过程的共同贡献。由于3.1 eV泵浦时会在MoS_2中产生移位电流,此时异质结界面电流由MoS_2转移到石墨烯,与1.55eV泵浦时产生界面电流的方向相反,从而导致太赫兹波形的极性反转。相关工作不但有助于发展基于异质结的新型太赫兹辐射源,还提出了利用太赫兹发射光谱技术来探究异质结材料的界面电流与电荷转移动力学过程。相关的研究结果正在整理撰写中。
【学位单位】：西北大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O433;TB34;O441.4
【部分图文】：

示意图,太赫兹,石墨,金样品

由于直立生长石墨烯内部全反射对光的捕获作用可以有效增强光与物质的相互作用，其太赫兹辐射强度相比单层石墨烯提高了约 10 倍。图1 石墨烯的太赫兹发射光谱：（a）石墨烯-金样品产生太赫兹辐射的示意图；（b）单层石墨烯（蓝）、纯金层（黑）、以及石墨烯-金样品（红）产生太赫兹辐射的对比[32]；（c）当泵浦光斜入射多层石墨烯时，带间区域瞬时非热电子和空穴的分布；（d）飞秒脉冲光垂直入射（上层）和斜入射（下层）激发石墨烯时产生的非平衡电子集居分布；（e）多层石墨烯样品产生太赫兹辐射的实验光谱（绿）和理论计算所得光谱（红）[25]对于多层石墨烯的太赫兹发射光谱，Maysonnave 等人从光泵浦后载流子分布的角度对动态光牵引效应进行了微观物理解释[25]。如图 1（c）和（d）所示，当飞秒脉冲光斜入射泵浦石墨烯时，电子和空穴的分布关于狄拉克锥（Dirac cone）中心是非对称的，因此会驱动载流子的运动并产生瞬时净电流，从而向外辐射太赫兹脉冲。而在泵浦光垂直入射时，沿着正负两个方向载流子的非平衡分布是对称的，此时两部分动量贡献会相互抵消，因此没有太赫兹辐

太赫兹,二阶非线性极化率,第一性原理计算,偏振角

第一章绪论主要是由于两个样品能带结构、空间对称性、二阶非线性系数的差别。在圆偏振光激发下，单层 WS2可产生椭偏的太赫兹辐射，其最大椭偏度约为 0.52。我们组的司珂瑜等人在层状 WSe2晶体中观察到了与 WS2晶体特性相似的太赫兹辐射，WSe2表面耗尽电场的宽度为 115nm，最大强度为 5.26×106V/cm[46]。从 TMDs 太赫兹发射光谱的相关研究可得，大多数 TMDs 的能带较宽（大于 1eV），容易形成表面耗尽电场从而产生超快光电流。此外，即使是物理性质相似的 TMDs，或是层数不同的同种材料，能带结构或非线性极化率系数的差别也会在非线性过程中产生巨大差异，导致太赫兹辐射的主要物理机理不同。

单层,图像,次序,块状

是最稳定的结构。图3 （a）MoS2原子排布结构的示意图；（b）单层 MoS2的光学显微图像和（c）原子力显微镜（AFM）图像；（d）块状 MoS2晶体的光学照片；（e）不同堆叠次序所产生的 MoS2晶相类型[62]MoS2电子学性质中最显著的一个特征是，块体 MoS2是带隙约为 1.29eV 的间接带隙半导体，而单层 MoS2是带隙为 1.9eV 的直接带隙半导体[36]。这是由于单层 MoS2中激子的 Bohr 半径为 9.3 ，束缚能高达 ~0.9eV[63]，然而三层原子结构的厚度（一个单元内顶层与底层 S 原子的距离）只有 3.17 ，因此产生了强量子局域效应[61]。MoS2的六角布里渊区和能带示意图如图 4（a）和（b）所示。少层和块体 MoS2的间

【参考文献】