光致电荷分离显着影响横向 MoS₂−石墨烯结的光电性能。通常，绝热机制控制化学结合界面处的电子转移 (ET)。与直觉相反，我们使用非绝热(NA)分子动力学证明了NA机制在横向MoS₂-石墨烯共价连接中支配着从MoS₂到石墨烯的电子转移。由界面处形成的内置电场引起的异常电子转移机制通过驱动电子和空穴向相反方向移动来减少供体--受体相互作用。 在石墨烯和MoS₂振动的驱动下，MoS2上的光激发电子在200fs内通过NA机制快速转移到石墨烯中，这比电子-声子能量弛豫速度更快，并确保“热”电子在冷却和失去能量之前可以成功提取到热。该研究建立了对横向MoS2-石墨烯结中复杂电荷-声子动力学的机械理解，这是光电和光伏应用的关键。
 
 
图 1. 模拟单元的顶视图和侧视图，显示了 (a)优化的几何形状（左图）。 （b）在横向 MoS2−石墨烯结的MD模拟期间在300 K（右图）下的代表性快照。 热波动会导致石墨烯片的显着平面外运动，从而影响供体-受体相互作用。棕色、黄色和紫色球体分别代表 C、S 和 Mo。
 
 
图 2. (a) PE 电子供体状态。  (b)受体状态的电荷密度，在0 K时使用优化的几何形状计算。电子供体和受体状态几乎均匀分布在 MoS2 和石墨烯上，反映了弱的供体-受体相互作用。  (c) 电子供体和 (d) 受体状态的电荷密度导致在 300 K 时界面区域的轻微离域，使用图 1b 中所示的几何形状计算。
 
  
图 3. (a) PE态（粗黑线）和石墨烯的能量演化以及MoS₂导带态（细灰线）。 (b)在MoS₂ 上PE态定位的演化。通过对每个量的自相关函数执行傅立叶变换 (FT)， (c) PE状态能量和 (d) 定位的光谱密度。 (c)中高于 800 cm^-1 的峰放大了 100 倍。
 
 
图 4. (a) 光致ET和弛豫过程示意图。光子吸收将电子从 MoS₂ 的VB内的基态驱动到位于MoS₂ CB内的激发态。 然后，PE电子被注入石墨烯CB，与电子-声子能量弛豫有关。  (b) 光致ET机制。  PE电子可以通过过渡态势垒（弯曲的蓝色箭头）从供体绝热地注入受体。 或者，注射可以非绝热进行，在供体和受体状态之间跳跃（向下的红色箭头）。 光激发可以促进电子从供体基态直接转移到受体激发态（向上的绿色箭头）。  (c) 平均 ET 动力学。 黑色实线、蓝色虚线和红色虚线分别代表总、绝热和 NA ET。 空心圆圈是具有图中所示时间尺度的拟合数据。 由于供体-受体耦合较弱，NA机制在ET事件中占主导地位。  (d) PE状态能量的衰减。 能量弛豫比ET慢，表明PE电子可以在冷却到带边缘之前被石墨烯成功提取。
  
        相关科研成果由北京师范大学Xiaoli Wang和Run Long等人于2021发表在The Journal of Physical Chemistry Letters（https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.1c02169）上。原文：Photoinduced Anomalous Electron Transfer Dynamics at a Lateral MoS₂–Graphene Covalent Junction。

转自《石墨烯杂志》公众号