基于超快激光光譜的二維半導(dǎo)體的載流子動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、后硅基時(shí)代的電子科技發(fā)展中所遇到的一個(gè)至關(guān)重要的挑戰(zhàn)是找到超薄的具有高電荷遷移率和可控帶隙的溝道材料。70年多年前，Landau和Peierls曾經(jīng)論證過(guò)嚴(yán)格意義上的二維晶體在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的，這種類(lèi)型的材料也是不可能存在的。但是自從石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，它就成為了材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理中的一顆冉冉上升的明星。石墨烯之所以受到如此之多的關(guān)注，原因在于其優(yōu)良的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)，以及其在光電子學(xué)應(yīng)用上所表現(xiàn)出的巨大潛力。每年有大約10000篇左右

2、與石墨烯相關(guān)的文獻(xiàn)被發(fā)表或出版。所以，公平地說(shuō)，對(duì)于“簡(jiǎn)單的石墨烯”的研究已經(jīng)渡過(guò)了它的頂峰時(shí)期。事實(shí)上，目前的研究重點(diǎn)已經(jīng)從研究石墨烯本身轉(zhuǎn)移到其它類(lèi)石墨烯的二維材料和這些材料的應(yīng)用。
　　眾所周知，石墨烯可以提供超高的電荷遷移率。在本論文中，我們展示了黑磷同樣具有極高的室溫電荷遷移率，其數(shù)量級(jí)為104 cm2V-1s-1，比晶體硅大一個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)，我們也展示了黑磷晶體中強(qiáng)各向異性的輸運(yùn)過(guò)程，即沿扶手椅方向上的遷移率比沿鋸齒方

3、向上的遷移率大一個(gè)數(shù)量級(jí)。我們同時(shí)測(cè)量到了光生載流子的壽命為100皮秒。毫無(wú)疑問(wèn)，這些結(jié)果說(shuō)明了黑磷是在未來(lái)的電子和光電子應(yīng)用中強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者。
　　然而，由于能量帶隙的缺失，使得石墨烯在其光電應(yīng)用上受到了巨大的限制。過(guò)渡金屬硫族化合物作為石墨烯的一個(gè)重要的替代品，具有較大的，而且可以與厚度相關(guān)的可調(diào)控帶隙。在本論文中，我們對(duì)于單層和體材料的二硫化鎢在室溫下的時(shí)空動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行了基于反射定律的瞬態(tài)吸收顯微光譜的研究。緊密聚焦的39

4、0納米泵浦脈沖向樣品注入光生載流子，從而形成激子。同時(shí)，我們監(jiān)測(cè)620納米探測(cè)光脈沖在不同時(shí)間延遲和空間位置上的差分反射率。我們可以從中得到在單層和體材料二硫化鎢樣品的激子壽命分別為22±1和110±10皮秒。兩者的壽命均獨(dú)立于激子密度，證實(shí)了沒(méi)有多激子復(fù)合的情況發(fā)生。同時(shí)，我們還得到單層和體材料樣品的激子擴(kuò)散系數(shù)分別為60±20和3.5±0.5 cm2s-1。這些結(jié)果為理解這種新型材料的激子現(xiàn)象并為其在光電子方向上的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。然

5、而，與石墨烯和黑磷相比，顯然過(guò)渡金屬硫族化合物的電荷遷移率相對(duì)較小。
　　一種常見(jiàn)的拓展材料的方法就是制備這些材料的合金。合金材料可以通過(guò)改變組成材料之間的配比，從而可以連續(xù)調(diào)節(jié)合金材料的光電性質(zhì)，這在對(duì)相關(guān)的應(yīng)用具有重要的意義，也為相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究拓展了思路。在實(shí)驗(yàn)中，由于合金材料具有較低程度的結(jié)晶，我們觀察到其比原材料更短的壽命。與異質(zhì)結(jié)構(gòu)相似，隨著新材料的不斷發(fā)展，可供我們選擇的材料也逐漸增多，因此我們可以根據(jù)實(shí)際需要組成不同

6、的合金。
　　新近被發(fā)現(xiàn)的二維材料還可以用于合成原子級(jí)厚度的，具有幾乎完美界面的范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)，從而改變半導(dǎo)體科技的整個(gè)格局。由于微弱的范德瓦爾斯層間耦合，參與成結(jié)的材料的電子態(tài)在很大程度上保持不變，所以這種結(jié)構(gòu)的特殊性質(zhì)依賴于兩個(gè)關(guān)鍵元素:跨越界面的電子轉(zhuǎn)移和層間耦合。在本論文中，我們利用石墨烯-二硫化鎢異質(zhì)結(jié)為例，展示了超快并且高效的層間電子轉(zhuǎn)移和強(qiáng)層間耦合與控制的證據(jù)。被注入到二硫化鎢中的光生載流子在1皮秒的時(shí)間里轉(zhuǎn)移到石