上海科技大学Weimin Liu、中国科学院大学和上海大学–石墨烯-二硫化钼垂直异质结构中电荷转移的叠加顺序和衬底引入电场

由石墨烯(Gr)和过渡金属二硫族化合物(TMDs)组成的垂直范德华异质结构为探索二维极限下的光学和电子特性创造了一个迷人的平台。许多研究都集中在Gr/TMDs异质结构上，以阐明光激发后电荷-能量转移、准粒子形成和弛豫的潜在机制。然而，对石墨烯异质结构中界面电荷分离及其后续动力学的全面理解仍然是难以捉摸的。本文采用时间分辨太赫兹(THz)光谱、太赫兹发射光谱和瞬态吸收光谱等综合超快手段，研究了不同光激发能下在熔融二氧化硅衬底上生长的Gr-MoS₂异质结构(包括Gr/MoS₂和MoS₂/Gr堆叠序列)的载流子动力学。本工作的研究结果强调了衬底电场对调制界面电荷转移(CT)效率的影响。具体而言，Gr/MoS₂中的光激发产生的热电子从石墨烯层注入MoS₂层，光子能量远低于MoS₂的a -激子，而MoS₂/Gr中的界面CT被衬底电场阻挡。反过来，上述A激子的光激发导致从MoS2到石墨烯的空穴转移，这发生在具有相反堆叠顺序的Gr-MoS₂异质结构中，导致界面光电流的相反方向，正如异相太赫兹发射直接证明的那样。此外，本工作证明了界面激子的重组时间约为~ 18ps，而缺陷辅助的界面重组发生在~ ns的时间尺度上。该研究为Gr-TMDs异质结构中界面CT、衬底效应和缺陷工程之间的相互作用提供了有价值的见解，从而促进了下一代光电器件的发展。

图1. Gr-MoS2异质结构示意图及实验方法。(a-b)在熔融二氧化硅(FS)衬底上生长的垂直堆叠的Gr/MoS2和MoS2/Gr异质结构示意图，蓝色箭头表示衬底引入的有效电场。(c-e) TES、TAS和TRTS的光谱图。(f)和(g)分别为KPFM测量得到的FS基板颜色图和电位图。中央地面区域与其周围的原始区域相比较。

图2. 1.6 eV (780 nm)激发下Gr-MoS₂异质结构的界面CT。(a)泵浦流量为35.4 μJ cm^-2时，ML Gr(灰色)、ML MoS₂(黄色)、Gr/MoS₂(红色)和MoS₂/Gr(蓝色)异质结构的瞬态太赫兹透过率。实线是正文中eq 2的拟合曲线。(b) Gr、MoS₂/Gr(单指数拟合)和Gr/MoS₂异质结构(双指数拟合)的THz PC随泵浦流量的弛豫时间。(c) Gr/MoS₂异质结构中界面电荷分离和复合图。(d)上下两幅图分别为TAS获得的MoS₂/Gr和Gr/MoS₂异质结构的二维彩色图，泵浦流量固定为76.4 μJ cm^-2。(e) Gr/MoS₂和MoS₂/Gr异质结构的发射太赫兹电场波形。(f) MoS₂/Gr异质结构中界面电荷分离和复合图。

图3. 1.9 eV (650 nm)激发下Gr-MoS₂异质结构的太赫兹信号。(a)当泵浦流量为10.2 μJ cm^-2时，Gr/MoS₂和MoS₂/Gr异质结构的瞬态太赫兹光谱，其中绿色实线和红色实线为双指数衰减函数的拟合曲线。(b,e)分别为Gr/MoS₂和MoS₂/Gr异质结构的拟合寿命和相应振幅随泵浦通量的函数。(c,f) Gr/MoS₂和MoS₂/Gr异质结构的CT图。(d) Gr-MoS₂异质结构的发射太赫兹电场波形。

图4. Gr-MoS₂异质结构在1.9 eV (650 nm)激发下的TAS。(a,d) Gr/MoS₂和MoS₂/Gr异质结构的代表性TAS分别在不同延迟时间下探测，泵浦流量设置为76.4 μJ cm^-2。(b,e)几种泵浦作用下Gr/MoS₂和MoS₂/Gr的a -激子态衰减动态，其中实线为双指数衰减函数的拟合曲线。(c, f) a -激子态在Gr/MoS₂和MoS₂/Gr异质结构中的拟合寿命。

相关研究成果由上海科技大学Weimin Liu、中国科学院大学杭州高等研究院Juan Du和上海大学Guohong Ma等人2024年发表在ACS Applied Materials & Interfaces (链接:https://doi.org/10.1021/acsami.4c05511)上。原文：Charge Transfer in Graphene-MoS2 Vertical Heterostructures Tuned by Stacking Order and Substrate-Introduced Electric Field