【摘 要】
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与传统半导体以及石墨烯相比,二维过渡金属硫族化合物(2D TMDCs)具有亚纳米的超薄厚度、较好的柔性、能谷自旋锁定以及可见光和近红外范围内的直接带隙等众多优点。作为直接带隙材料,2D TMDCs在光电探测器、光开关、LED等领域中有着非常好的应用前景。然而亚纳米的厚度导致其光吸收率较低,极大的表面积体积比使其更易受到环境的影响以及其固有的低荧光量子产率,这些缺点的存在限制了其在实际应用中的性能。
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与传统半导体以及石墨烯相比,二维过渡金属硫族化合物(2D TMDCs)具有亚纳米的超薄厚度、较好的柔性、能谷自旋锁定以及可见光和近红外范围内的直接带隙等众多优点。作为直接带隙材料,2D TMDCs在光电探测器、光开关、LED等领域中有着非常好的应用前景。然而亚纳米的厚度导致其光吸收率较低,极大的表面积体积比使其更易受到环境的影响以及其固有的低荧光量子产率,这些缺点的存在限制了其在实际应用中的性能。因此要想将2D TMDCs投入实际应用,还需要对其光电特性进行优化调控。立足于此,本文展开了调控2D TMDCs光致荧光特性的一系列研究,并取得不错的研究成果。主要研究内容如下:(1)对存放三个月之久的单层二硫化钨(ML WS2)的光致发光特性进行了系统的荧光表征,发现其荧光特性发生了明显的退化:强度减弱、光谱往长波方向展宽和峰位的红移。通过对荧光光谱的分析,我们发现ML WS2中带电激子发光峰的出现以及增强是导致荧光发生退化的主要原因。基于此,我们首次提出用PC61BM接受和传输电子的特性对ML WS2进行修饰的方法,并通过实验证实了这种方法的可行性。经过修饰,ML WS2中带电激子的形成受到极大地抑制,其荧光峰保持在激子发光峰附近,光谱的展宽程度缩小,ML WS2发光更加均匀。(2)在不同能带结构类型的异质结中,电子和空穴不同的传输方向会对材料的性质产生极大的影响。基于这种观点,我们选择了两种能带结构不同的材料分别对单层WS2的发光特性进行调控,得到了迥然不同的调控效果。钙钛矿量子点CsPbBr3和ML WS2可以构成type I型异质结。光生电子和空穴都往带隙较窄的ML WS2的导带和价带中转移,提高了ML WS2中的激子浓度,进而将其发光效率提高4倍,荧光强度提高近13倍。相关工作被OSA(美国光学学会)评为当月的Spotlight(亮点)。另一方面,在由钙钛矿量子点FAPbBr3和ML WS2构成的type II型异质结中,光生电子空穴对易于发生分离并传输到不同材料中,导致二者荧光的淬灭。从中可以看出:要想对2D TMDCs的光学性质进行有效调控,材料的能带结构是很重要的参考指标。(3)研究电场对2D TMDCs光学性质的调控,有助于设计基于2D TMDCs的性能更好的光电器件。我们制作了ML MoS2场效应管,通过在器件上施加不同的底栅电压和源漏偏压,探索了室温下ML MoS2的发光特性随电学环境变化的规律。发现负栅压可以有效地提高材料的荧光强度,而正栅压与之相反。源漏偏压则会降低材料的发光效率。
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