Nat. Commun. 原子级厚度MoS2/WS2异质结中层间热激子的超快形成

最近，由二维过渡金属硫化物层组成的范德瓦尔斯异质结，作为一类新材料成为科学家的研究热点。其具有原子级厚度、优异的光电特性和光伏特性，在光电器件和光伏领域有着巨大的应用潜力。令人不解的是，在这些结构中，尽在电荷输运过程中，层间激子之间的转变存在着明显的动量不匹配，但是其光电流产生效率缺非常之高。

为了解决上面的现象，北京大学郑俊荣、中科院物理所张光宇、福建物质结构研究所庄巍等人利用能量态分辨超快可见/红外显微谱仪，发现在WS2/MoS2异质结的界面，在从一个层间激子到另一个层间激子的转变过程中，存在具有超多能量的电荷输运中间态（即热激子）的独特实验证据。研究发现自由载流子从界面穿过的速度比结合成层间激子的速度要快很多。该项工作解释了在二维异质结和器件存在动量不匹配和激子局域化的情况下，仍然存在显著电荷转移率和光电流产生的内在机理。

本文正文分为三大部分: 第一部分为背景介绍；第二部分为实验结果，包括MoS2和WS2直接的有效电荷输运，电荷输运后热激子的快速形成，相对较弱的层间激子的形成，电荷输运的两个主要步骤等四个方面；第三部分为结论。文章附录讲述了实验的具体操作细节和参数。下面就是图文导读:

图1 MoS2/WS2异质结的性质: (a) 生长得到的WS2/MoS2异质结样品的光学显微成像，亮三角形区域是WS2单晶，整个图像是MoS2单层薄膜；(b) MoS2/WS2异质结的能带示意图，MoS2/WS2异质结的光学激励产生紧束缚层间激子（MoS2层的电子，WS2层的空穴）；(c) 生长制备的单层WS2、单层MoS2和MoS2/WS2异质结的光致发光（PL）光谱，由于A型激子共振，单层MoS2的光致发光峰在1.86eV，单层WS2的光致发光峰在1.96eV；相比单个样品的光致发光峰，MoS2/WS2异质结的光致发光谱发生了调制，表明在异质结中发生了层间电荷的输运。

图2 超快可见/红外显微光谱测量：(a) 超快可见/红外显微谱仪的结构示意图；(b) 在100*100微米MoS2/WS2异质结样品区域的瞬时吸收变化图像，底层是被测试区域的光学成像，异质结位于区域中心；上层代表在以中心脉冲能量为1.85eV的光激励MoS2激发后的瞬时吸收变化100fs，来自MoS2/WS2异质结区域的信号密度大概是仅MoS2区域的两倍；(c) MoS2、WS2和MoS2/WS2异质结在0.245-0.275eV能量范围内，670nm(1.85eV)激发诱导激光检测的吸收变化的瞬间演变，OD代表光密度；(d) c图在0.25eV(2000cm-1)处的标准截面图，点是实验数据，曲线是考虑到指导响应函数（IRF）的多指数拟合；(e) MoS2/WS2异质结的信号，和单层MoS2和单层WS2的信号总和，异质结的初始密度接近100%，远大于这两个单层信号的总和，所有的测量均是在室温下，用大约80uJcm-2的入射泵浦通量。

图3 不同光激励的动力学：(a)在2000cm-1(0.25eV)监测到的MoS2、WS2和MoS2/WS2异质结 630nm(1.95eV，通量为80uJcm-2)激励诱导吸收变化，点代表实验数据，曲线代表根据IRF进行的多指数拟合；(b) a图的标准截面图；(c) MoS2/WS2异质结的信号，两个单层MoS2和WS2样品的信号总和；(d) 在MoS2、WS2和MoS2/WS2异质结的2000cm-1(0.25eV)处，监测的400nm(3.1eV，通量为10uJcm-2)激励诱导吸收变化的瞬间演变；(e) d图的标准截面图；(f) MoS2/WS2异质结的信号和两个单层MoS2和WS2样品的信号总和；(g) 对于MoS2/WS2异质结，在1390(0.17eV)-2910cm-1(0.36eV)频率范围内的400nm激励诱导吸收变化的瞬时演变，水平虚线代表在该信号衰变初始密度的20%后的延迟时间；(h) 在MoS2/WS2异质结的2910cm-1(0.36eV，红色)和800nm(1.55eV，蓝色)监测到的400nm(3.1eV)激励诱导吸收变化的瞬时演变，1.55eV远大于层间激子的束缚能，低信号延迟代表长的激励寿命。

图4 异质结的电荷分离过程：在WS2(MoS2)单层受到激励后，电子（空穴）从WS2(MoS2)单层的CBM(VBM)转移到MoS2(WS2)单层的（低）CBM(VBM)上面的导带（价带），整个过程在50fs内完成，生成了一个具有相对长距离的热层间激子，热激子在800fs内释放额外的能量，形成紧束缚层间激子。

图5 在WS2/MoS2异质结内光诱导电荷分离的示意图和层间激子的形成过程:在光激励后:在光激励后，(1)电子-空穴对和(2)其他载流子在每个单独层产生（以MoS2为例）；之后，(2)空穴转移至WS2层，电子转移至MoS2层，形成中间态，即层间热激子；(3)最后，热激子释放额外能量，形成紧束缚层间激子。在图b中，层间中间态的形成是远快于层间激子的形成的。

原文链接：Ultrafast formation of interlayer hot excitons in atomically thin MoS₂/WS₂heterostructures(Nature Communications，2016，Doi:10.1038/ncomms12512)

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