用二維材料制作有效的光吸收器

中國浙江大學的朱海明教授和他的研究團隊研究了二維材料和范德華異質結構的多個方面，包括它們在光激發(fā)下的行為。范德華異質結構是原子級薄的二維材料層，可以按特定順序堆疊以獲得所需的器件性能。世界各地都在研究這種新型設備，因為這種新型設備具有類似塊體結構無法實現(xiàn)的物理特性和行為。

朱教授的團隊最近研究了范德華異質結構對于高效光捕獲的適用性，并在《化學物理雜志》上發(fā)表了一篇新文章，報告了他們的實驗和發(fā)現(xiàn)。他們的發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)上受 30% Shockley-Queisser 效率限制的光伏和光電設備相關。然而，在 2D 材料中，如果高能或熱光激發(fā)電荷能夠在器件的材料界面處足夠快地提取，從而不會通過光發(fā)射或非輻射過程重新組合，則可以突破此限制。

研究人員利用過渡金屬二硫屬化物 MoTe2 和 WS2 構建了范德華異質結構，并使用光學技術進行研究，這在二維材料的表征和研究中非常常見。朱教授的團隊使用光致發(fā)光(PL)光譜、吸收光譜和瞬態(tài)泵浦探針吸收光譜進行實驗。

由于寬帶材料特性，PL 和吸收光譜的設置涉及從可見光到紅外波長的檢測，覆蓋范圍從 2.1eV (590nm) 到 0.9eV (1370nm)。Pylon-100 相機用于從可見光到 NIR 的有效檢測，Pylon-IR低溫 InGaAs 陣列用于 1000 nm 以上的檢測。對于瞬態(tài)吸收光譜，泵浦探針裝置用于通過超短 35fs 脈沖泵浦樣品，并使用ProEM-1600 EMCCD 相機進行檢測。

PL 光譜用于材料的初始表征并確定層數(shù)，以找到用于生產堆疊結構的合適樣品。通過觀察原始層和堆疊層之間的 PL 發(fā)射行為，研究人員確定了材料組合時電子環(huán)境和電荷相互作用的變化。例如，2eV 左右的 WS2 強發(fā)射線在堆疊層中被強烈抑制，表明電荷超快轉移到 MoTe2 層。然后，瞬態(tài)吸收測量使研究人員能夠揭示電荷載流子行為的細節(jié)以及該特定結構的電荷轉移機制及其效率。

研究小組在結論中指出，他們可以在所研究的結構中表現(xiàn)出有效的電荷轉移，使這些材料適合高效設備。他們指出，他們的“發(fā)現(xiàn)……”為使用 2D 范德華異質結構設計極薄吸收器和熱載流子器件提供了新鮮且令人興奮的機會。

審核編輯 黃宇