基于超快激光光譜的二維半導(dǎo)體的載流子動力學研究.pdf

1、后硅基時代的電子科技發(fā)展中所遇到的一個至關(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)論證過嚴格意義上的二維晶體在熱力學上是不穩(wěn)定的，這種類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，它就成為了材料科學和凝聚態(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)良的電學和光學性質(zhì)，以及其在光電子學應(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)的文獻被發(fā)表或出版。所以，公平地說，對于“簡單的石墨烯”的研究已經(jīng)渡過了它的頂峰時期。事實上，目前的研究重點已經(jīng)從研究石墨烯本身轉(zhuǎn)移到其它類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)量級為104 cm2V-1s-1，比晶體硅大一個數(shù)量級。同時，我們也展示了黑磷晶體中強各向異性的輸運過程，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數(shù)量級。我們同時測量到了光生載流子的壽命為100皮秒。毫無疑問，這些結(jié)果說明了黑磷是在未來的電子和光電子應(yīng)用中強有力的競爭者。
　　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。過渡金屬硫族化合物作為石墨烯的一個重要的替代品，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，我們對于單層和體材料的二硫化鎢在室溫下的時空動力學過程進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，我們監(jiān)測620納米探測光脈沖在不同時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。兩者的壽命均獨立于激子密度，證實了沒有多激子復(fù)合的情況發(fā)生。同時，我們還得到單層和體材料樣品的激子擴散系數(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，顯然過渡金屬硫族化合物的電荷遷移率相對較小。
　　一種常見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)，這在對相關(guān)的應(yīng)用具有重要的意義，也為相關(guān)的實驗研究拓展了思路。在實驗中，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皮秒的時間里轉(zhuǎn)移到石