单层二硫化钨的异质结构对其载流子动力学性质的影响

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二维过渡金属硫族化合物(2D TMDs)因自身具有较大的吸收系数、带隙可随厚度变化、激子束缚能高达数百毫电子伏特等优异特性成为新一代半导体材料中的重点研究对象。在研究设计2D TMDs光电器件过程中,绝缘材料作为栅绝缘层与2D TMDs相结合形成范德瓦尔斯异质结构,半导体材料与2D TMDs形成不同能带排布的异质结构,可以调控光电器件中2D TMDs的光电特性,异质结构中光生载流子动力学性质对2D TMDs光电器件性能的影响至关重要。本论文选择了2D TMDs中具有代表性的二硫化钨(WS2)作为研究对象,分别研究了绝缘材料h BN以及AIIIBIIIC2VI类层状半导体材料Tl Ga S2与单层WS2形成范德瓦尔斯异质结构后,对WS2中载流子动力学性质的影响,获得创新点如下:(1)在Si/SiO2(300nm)衬底上设计制备了Si/SiO2/WS2、Si/SiO2/h BN/WS2以及Si/SiO2/h BN/WS2/h BN样品。利用时间分辨泵浦-探测技术,研究了不同异质结构中h BN对WS2时域光生载流子动力学性质的影响。实验结果表明,与Si/SiO2/WS2中单层WS2对比,Si/SiO2/h BN/WS2中的h BN使WS2的激子形成时间与激子寿命延长,而Si/SiO2/h BN/WS2/h BN的h BN使WS2的激子形成时间缩短,激子寿命明显延长,激子-激子湮灭率降低。(2)利用时空分辨泵浦-探测技术,对上述Si/SiO2/WS2、Si/SiO2/h BN/WS2以及Si/SiO2/h BN/WS2/h BN样品中单层WS2激子扩散进行研究,得到了各异质结构中WS2的激子扩散系数。实验结果表明,与Si/SiO2/WS2中单层WS2对比,Si/SiO2/h BN/WS2以及Si/SiO2/h BN/WS2/h BN样品中的h BN都在不同程度上降低单层WS2的激子扩散系数,说明h BN可以调控单层WS2中激子扩散。(3)在Si/SiO2(300nm)衬底上以单层WS2和体材料Tl Ga S2设计制备了Si/SiO2/Tl Ga S2/WS2样品以及作为对比的Si/SiO2/WS2样品。利用时间分辨泵浦-探测技术,研究了样品中的光生载流子动力学性质。Si/SiO2/Tl Ga S2/WS2样品中的单层WS2与Si/SiO2/WS2样品相比,出现了荧光淬灭现象,且载流子寿命明显延长。通过比较相同条件下获得的Si/SiO2/Tl Ga S2/WS2异质结构中各材料差分反射信号的差异,证明了WS2与Tl Ga S2形成的异质结构为II型能带排布,Tl Ga S2可对单层WS2载流子的寿命起到调控作用。
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