高压下少层WS2纳米片的超快动力学研究

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二维过渡金属硫族化合物(Transition metal dichalcogenides,TMDCs)因其层间范德瓦尔斯相互作用易被剥离为单层或少层,且TMDCs的带隙在1-2 e V的可见光到近红外范围内,使得关于TMDCs半导体的研究具有很高的应用价值。WS2作为TMDCs中带隙较大的材料,其光电子器件的量子效率依然很低,尤其是少层甚至体材料的量子效率更低。因此,研究WS2材料的载流子迁移率、激子结合能和激子弛豫动力学等对于提高光电器件的量子效率尤为重要。高压作为调控原子间距离改变电子能带结构的手段,对WS2少层材料的载流子动力学过程的调控效果尤为显著。因此,我们可以通过研究少层WS2纳米片的稳态吸收光谱、拉曼光谱和瞬态吸收光谱,分析压力对材料电子能带结构和载流子动力学过程的影响。(1)不同泵浦通量下瞬态吸收光谱的变化显示,随着延迟时间增加,同一光谱中A、B激子峰会出现明显的蓝移,这种蓝移被认为是由能带填充效应导致的。A激子峰随着泵浦通量的增加出现红移,并且各激子峰强度在泵浦通量182μJ/(88)~2处出现拐点,呈现先增大后减小的趋势,这种泵浦通量引起的红移是由量子限域斯塔克效应引起的。对所有泵浦通量下A激子弛豫动力学曲线用e指数进行拟合,发现寿命为1 ps左右的载流子的热化与冷却过程随泵浦通量增加没有明显变化。第二弛豫寿命在百皮秒左右,被归因于缺陷辅助的俄歇复合,高泵浦通量下更多载流子填充缺陷态,抑制了缺陷捕获的俄歇复合,延长了缺陷辅助的俄歇复合寿命。除此之外,在高泵浦通量下我们还观察到了再注入过程,其寿命在数十皮秒范围内,并且随泵浦通量的增加而增加,这种再注入过程可能与激子-激子湮灭以及K-Λ能谷间散射有关。(2)测量得到不同压强下稳态吸收光谱、拉曼光谱和瞬态吸收光谱。通过对稳态吸收光谱中A激子峰的拟合发现激子峰能量随压力增加线性蓝移,但是半高全宽的变化趋势却是先增大后减小,压力小于2.4 GPa的低压范围内半高全宽增大是因为压力导致能带改变,进而增加了谷间散射速率;压力大于2 GPa的高压范围内半高全宽减小或许与能谷交叉有关。同时,拉曼峰2LA(M)、E~12g(Γ)和A1g(Γ)各振动模式都出现了蓝移,他们的宽度也随压强增加而变大,表示电子-声子相互作用在高压下得到加强。通过不同压强下瞬态吸收光谱实验发现,各激子峰强度随压强增加而减小,并且出现明显的蓝移。在同一压强下不同延迟时刻的激子峰也出现了蓝移,蓝移持续的时间与拟合得到的1 ps左右的载流子冷却快速弛豫时间相近,同时载流子冷却过程随压强增加而加快。第二个百皮秒量级的弛豫过程寿命随压强的变化趋势也在2.4 GPa处出现了拐点,低压范围弛豫过程寿命增加,拐点处寿命突然降低并随压力进一步增加而减少。同时,压强大于2.4GPa后也观察到了再注入过程,并且其弛豫寿命随压强增加而减少,这可能与激子-激子湮灭以及载流子能谷间散射有关。
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