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[材料资讯] 杨学明、任泽峰等实现二维材料载流子的时空动力学分辨

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发表于 2021-11-12 08:54:59 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
近日,我所分子反应动力学国家重点实验室化学动力学研究中心(1102组)杨学明院士、任泽峰研究员等与北京大学叶堉教授合作,通过发展飞秒时间分辨光发射电子显微镜(TR-PEEM),实现了二硫化钼(MoS2)在纳米空间和飞秒时间尺度的载流子动力学研究,并利用上海同步辐射光源,通过X射线光发射电子显微镜(XPEEM)的元素成像,阐明了缺陷对MoS2载流子动力学的影响。
  二维材料因其载流子被限制在二维平面内,使得载流子迁移、扩散展现出许多奇特的性质,在光电和微电子方面具有很好的应用前景,受到了学术界和工业界的广泛关注。但是,目前对二维材料载流子的研究主要是静态表征和宏观时间尺度的研究。由于光斑尺寸的限制,以往在飞秒时间尺度对二维材料的载流子的动力学研究局限于光斑区域的平均效应,忽略了样品的不均匀性和局部缺陷对动力学的影响。
  光发射电子显微镜(PEEM)具有纳米空间分辨能力,超快光谱具有飞秒时间分辨能力,将两者结合起来,可同时实现较高的时空分辨。此外,将PEEM和电子能谱仪结合起来,可获得微区的时间分辨光电子能谱(TR-PES),还可以利用能谱的平移随延时的变化,获得表面光电压(SPV)的超快动力学。因此,利用TR-PEEM可以观测到光电子强度、空间分辨、时间分辨和光电子能量等,其也被称为“四维光电子显微镜”。利用TR-PEEM,可以研究载流子在纳米尺度的空间上是如何流动的、载流子在飞秒时间尺度流动的速度、载流子在能量上是如何弛豫的等。
  本工作中,该团队利用TR-PEEM,发现MoS2表面具有空间不均匀性;利用微区XPS确定了硫的空位缺陷;利用微区(2μm)TR-PES测量了TR-SPV的动力学和载流子寿命,发现电子-空穴复合主要是通过热发射过程,以及表面缺陷可以加速电子-空穴复合速率达1-2个数量级。通常的光电子谱只能获得较浅的表面层电子信息,而SPV能测量整个空间电荷层(space-charge layer,SCL)的载流子信息。因此,结合超快时间分辨,可以对整个SCL内载流子在超快时间尺度的动力学有一个更深的认识,为未来二维材料在微电子领域的应用提供理论依据。
  相关研究成果以“Spatially Heterogeneous Ultrafast Interfacial Carrier Dynamics of 2D-MoS2 Flakes”为题,发表在Materials Today Physics上。该工作的第一作者是我所1102组博士研究生梁宇、李博瀚,以及北京大学黎子凌。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院等项目的支持。(文/图 梁宇、任泽峰)
  文章链接:https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2021.100506


       文章来源:大连化物所
       任泽峰,中国科学院大连化学物理研究所研究员。2004年中国科学技术大学化学物理系毕业后,到中科院大连化学物理研究所分子反应动力学国家重点实验室读研究生。2009年德国马普学会Fritz Haber研究所做博士,获得洪堡学者称号。2011年底被聘为北京大学量子材料科学中心研究员;2013年获得NSFC的优青基金资助;2016年9月回到大连化物所工作。他参与和设计了多套国际领先的科研装置,首次发现了F+H2体系的共振现象,澄清了困扰科学家近30年的问题,发现了波恩-奥本海默近似在F+D2反应体系中失效的证据。国内最早开展了时间分辨双光子光电子谱的研究,自行搭建了表面和频振动光谱-超高真空/近常压联用装置。他曾获得过中科院院长优秀奖、特别奖和国家自然科学二等奖等,2项工作曾入选中国十大科技进展新闻;以第一作者/共同第一作者和通讯作者在Science, PNAS, Chem. Sci., J. Am. Chem. Soc., J. Phys. Chem. L, J. Chem. Phys.等高水平期刊上发表了近40篇文章。他目前的兴趣主要在发展新的超快光谱和超快电子谱方法,用于研究表面化学反应和新材料的电荷转移等超快动力学过程。
       杨学明,男,1962年10月生,汉族,无党派民主人士。中国科学院大连化学物理研究所研究员,分子反应动力学国家重点实验室化学动力学研究中心主任。中国化学会化学动力学专业委员会任,国家同步辐射实验室用户专家委员会主任。2012年4月至2017年3月任中国科学院大连化学物理研究所副所长。2011年当选为中国科学院院士。1991年获美国加州大学圣巴巴拉分校博士学位。曾在美国普林斯顿大学,加州大学劳伦斯伯克利国家实验室,台湾中研院原子与分子科学研究所做博士后、访问和工作。
        叶堉,北京大学物理学院研究员,博士生导师。2012年在北京大学物理学院获得博士学位,从事半导体纳米线光电子器件物理研究。2012-2016年在加州大学伯克利分校做博士后,主要从事二维材料物性研究与器件物理。在Science (1), Nature Nanotechnology(2), Nature Photonics(1)等国际权威学术期刊上发表论文40余篇。研究成果多次被Science,Nature,Nature Materials,Nature Photonics,Nature Nanotechnology,Materials Today,EE Times等学术期刊、科学杂志和新闻机构作为专题报道。课题组主页:http://www.phy.pku.edu.cn/~yeyu/index.html





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