基于超快激光光谱的二维半导体的载流子动力学研究

发布时间：2018-06-29 02:44

本文选题：二维材料 + 瞬态吸收　；参考：《北京交通大学》2016年博士论文

【摘要】：后硅基时代的电子科技发展中所遇到的一个至关重要的挑战是找到超薄的具有高电荷迁移率和可控带隙的沟道材料。70年多年前,Landau和Peierls曾经论证过严格意义上的二维晶体在热力学上是不稳定的,这种类型的材料也是不可能存在的。但是自从石墨烯被发现以来,它就成为了材料科学和凝聚态物理中的一颗冉冉上升的明星。石墨烯之所以受到如此之多的关注,原因在于其优良的电学和光学性质,以及其在光电子学应用上所表现出的巨大潜力。每年有大约10000篇左右与石墨烯相关的文献被发表或出版。所以,公平地说,对于“简单的石墨烯”的研究已经渡过了它的顶峰时期。事实上,目前的研究重点已经从研究石墨烯本身转移到其它类石墨烯的二维材料和这些材料的应用。众所周知,石墨烯可以提供超高的电荷迁移率。在本论文中,我们展示了黑磷同样具有极高的室温电荷迁移率,其数量级为104 cm2V-1s-1,比晶体硅大一个数量级。同时,我们也展示了黑磷晶体中强各向异性的输运过程,即沿扶手椅方向上的迁移率比沿锯齿方向上的迁移率大一个数量级。我们同时测量到了光生载流子的寿命为100皮秒。毫无疑问,这些结果说明了黑磷是在未来的电子和光电子应用中强有力的竞争者。然而,由于能量带隙的缺失,使得石墨烯在其光电应用上受到了巨大的限制。过渡金属硫族化合物作为石墨烯的一个重要的替代品,具有较大的,而且可以与厚度相关的可调控带隙。在本论文中,我们对于单层和体材料的二硫化钨在室温下的时空动力学过程进行了基于反射定律的瞬态吸收显微光谱的研究。紧密聚焦的390纳米泵浦脉冲向样品注入光生载流子,从而形成激子。同时,我们监测620纳米探测光脉冲在不同时间延迟和空间位置上的差分反射率。我们可以从中得到在单层和体材料二硫化钨样品的激子寿命分别为22±1和110±10皮秒。两者的寿命均独立于激子密度,证实了没有多激子复合的情况发生。同时,我们还得到单层和体材料样品的激子扩散系数分别为60±20和3.5±0.5 cm2s-1。这些结果为理解这种新型材料的激子现象并为其在光电子方向上的应用提供了基础。然而,与石墨烯和黑磷相比,显然过渡金属硫族化合物的电荷迁移率相对较小。一种常见的拓展材料的方法就是制备这些材料的合金。合金材料可以通过改变组成材料之间的配比,从而可以连续调节合金材料的光电性质,这在对相关的应用具有重要的意义,也为相关的实验研究拓展了思路。在实验中,由于合金材料具有较低程度的结晶,我们观察到其比原材料更短的寿命。与异质结构相似,随着新材料的不断发展,可供我们选择的材料也逐渐增多,因此我们可以根据实际需要组成不同的合金。新近被发现的二维材料还可以用于合成原子级厚度的,具有几乎完美界面的范德瓦尔斯异质结,从而改变半导体科技的整个格局。由于微弱的范德瓦尔斯层间耦合,参与成结的材料的电子态在很大程度上保持不变,所以这种结构的特殊性质依赖于两个关键元素：跨越界面的电子转移和层间耦合。在本论文中,我们利用石墨烯-二硫化钨异质结为例,展示了超快并且高效的层间电子转移和强层间耦合与控制的证据。被注入到二硫化钨中的光生载流子在1皮秒的时间里转移到石墨烯中,转化效率接近100%。我们同时也展示了二硫化钨的光学性质可以有效地通过石墨烯中的载流子进行调控。这些结果揭示了在电子学和光子学中,使用范德瓦尔斯异质结基本过程。综上所述,本论文中所得到的实验数据为更好地理解二维材料的光电性质及其在光电子器件上的应用提供了坚实的基础。
[Abstract]:In this paper , we have shown that black phosphorus is a powerful competitor in materials science and condensed state physics . However , since graphene has been discovered , it has become a powerful competitor in materials science and condensed state physics . In conclusion , the experimental data obtained in this paper provide a solid foundation for better understanding the photoelectric properties of two - dimensional materials and their application on optoelectronic devices .
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O472

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