刘新风课题组MoS2边缘态以及载流子扩散和解离动力学研究取得新进展

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国家纳米科学中心刘新风研究员团队，联合国家纳米科学中心张勇团队和物理所孟胜团队研究了球磨法制备的不同横向尺寸(10 nm-160 nm) 的MoS2的边缘态，激子扩散及解离的动力学过程，为光电子学和光捕获应用奠定了重要基础。相关成果发表在Nano Letters 杂志上 (doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c04987)。
       材料的表面态具有特别的物理和化学性质，凝聚态材料的表面态一直是研究的焦点。其中，二维过渡金属硫属化合物(TMDC)的边缘状态也被广泛研究，研究发现其具有边缘导电、边缘等离子体、自旋保护传输以及高催化活性等性质，这些优异的性能表现加深了TMDC基础研究和丰富了其应用前景。边缘电子态的亚带隙分布、金属带、自旋非简并等部分特征已经被研究，而它们的动力学尚未被完全理解，特别是边缘状态如何以及如何快速填充，它们如何有助于整体电荷传输和重组？解决这些问题对于优化和扩展TMDC应用至关重要，然而微弱的边缘信号通常会被内部背景淹没或受到边缘杂质干扰，需要极度暴露和干净的边缘结构，因此研究仍然存在挑战。

图1. MoS2纳米片单颗粒的边缘态 EELS 测量（A）典型10nm MoS2纳米片HAADF-TEM 图像。 (B)EELS测量原理示意图。（C)MoS2纳米片内部和边缘位置的EELS，MoS2纳米片的光吸收作为参考。(D) MoS2边缘态的能带结构和总电子态密度电子带结构。

        研究团队使用球磨产生的10 nm MoS2纳米片，该方法产生的纳米片尺寸均一，更重要的是具有洁净的高锯齿形暴露边缘。结合电子能量损失光谱 (EELS)和第一性原理计算，预测了亚带隙边缘态吸收，覆盖范围为1.23 eV至1.78 eV。揭示了边缘态粒子和与激子的竞争，由于纳米尺寸，这些纳米片具有高度暴露的边缘，约占片面积的11%，便于边缘状态的直接瞬态吸收(TA)研究。在1.87 eV能量激发下，光激发激子首先通过带间填充并很快在约0.40 ps内解离成边缘电子态过渡。在低于带隙激发的情况下，由于通过非绝热耦合 (NAC)分析减少了带内轨道耦合，边缘态的布居时间更长，最高可达1.0 ps。泵浦能量依赖TA数据揭示了空穴的带间跃迁速率决定了边缘态的产生。边缘态的形成过程分别受到了带间跃迁和带内驰豫的调控，在高于带隙时激发，存在带间跃迁决定的0.4 ps超快激子解离动力学过程；低于带隙能量激发时，边缘态能带上的驰豫决定了边缘态的形成。团队还进一步研究了激子输运对边缘态种群动力学的影响。此外，研究团队发现边缘状态引入了边界上的外部电位梯度，终止了激子从内部的激子扩散传输。通过测量激子解离寿命作为纳米片横向尺寸的函数，提取激子扩散系数86.7 cm2/s，进一步证实了边界阻挡激子扩散。这项研究从能量、时间和空间角度扩展了对TMDC半导体边缘态动力学的理解，为边缘态操纵和器件优化提供了途径。
      国家纳米科学中心毕业博士生眭新雨，中科院物理所博士生王慧敏，国家纳米科学中心硕士生梁程为文章第一作者，刘新风研究员，孟胜研究员，张勇研究员为通讯作者。该项工作得到了中国科学院战略性先导科技专项（B类），科技部重点研发计划，中科院仪器开发项目，国家自然科学基金，洁净能源国家实验室（DNL）合作基金等项目的支持。
       原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c04987


          文章来源：国家纳米中心
      刘新风，2007年在东北师范大学获得硕士学位，导师刘益春教授。2011年在国家纳米科学中心获得博士学位，导师裘晓辉研究员。2011-2015年在新加坡南洋理工大学从事博士后研究工作，合作者Sum Tze Chien教授。2015年进入国家纳米科学中心工作，被聘为“百人计划”研究员。研究方向为超快光学、纳米光子学和非线性光学。至今在Nature Materials, Nature Communications, Nano Letters, Advanced Materials, ACS nano 等国际一流期刊上发表论文30余篇，引用800余次。授权中国专利3项。
            张勇，国家纳米科学中心研究员，博士生导师，中国科学院“百人计划”入选者，2001年和2006年分别在西安交通大学和中国科学院化学研究所取得学士和博士学位。2006年至2007年在德国拜罗伊特大学做博士后。2007年至2011年在爱尔兰都柏林大学作博士后，期间作为访问学者在美国普度大学从事研究工作半年。2011年至2015年在爱尔兰三一学院担任研究员。2015年3月全职回国，在国家纳米科学中心工作。长期从事低维纳米材料，薄膜材料，以及高分子复合材料的研究。在Nature Nanotechnology, Advanced Materials, Advanced Optical Materials, Scientific Reports等国际著名学术期刊上发表论文十余篇。授权中国专利一项。