本研究报告了在由单层石墨烯、少数层过渡金属二醇化物和有机半导体F8ZnPc形成的混合范德华异质结构中产生长寿命和高度移动的光载流子。通过在石墨烯膜上干燥转移机械剥离的MoS
2或WS
2薄层薄片,然后沉积F
8ZnPc来制备样品。进行瞬态吸收显微镜测量以研究光载流子动力学。在F
8ZnPc/多层MoS
2/石墨烯的异质结构中,F
8ZnPc中激发的电子可以转移到石墨烯,从而与F
8ZnPc中的空穴分离。通过增加MoS2的厚度,这些电子获得了超过100 ps的长复合寿命和2800 cm
2 V
–1 s
–1的高迁移率。在WS
2作为中间层的情况下,还显示了带有移动空穴的石墨烯掺杂。这些人造异质结构可以提高石墨烯基光电子器件的性能。
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图1.(a) 由F
8ZnPc、1L MoS
2和石墨烯形成的异质结构的带取向。左侧的上下水平线表示F
8ZnPc的LUMO和HOMO能级。橙色和灰色框表示MoS
2和石墨烯的导带和价带。光激发电子(−)有望转移到石墨烯,而空穴(+)位于F
8ZnPc中。(b) F
8ZnPc/WS
2/石墨烯异质结构的能带对准,允许石墨烯的空穴掺杂。(c) 强结合状态下F
8ZnPc/MoS
2/石墨烯中的面内载流子分布示意图,其中F
8ZnPc中的固定空穴阻止了石墨烯中电子的自由运动。(d) 在具有较厚MoS
2中间层的弱结合状态下,石墨烯中电子的显著面内扩散。
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图2:(a–d)分别从n=1、2、3和4的F
8ZnPc/nL-MoS
2/石墨烯异质结构样品测量的时空分辨差分反射率。(e–h)4个样品的差分反射率的选定空间分布。对于(e),探测延迟为2.8(黑色)、10.2(红色)、17.7(蓝色)、25.1(粉色)和33.0 ps(绿色)。对于(f)、(g)和(h),探测延迟为5.5(黑色)、20.4(红色)、35.3(蓝色)、50.2(粉色)和65.0 ps(绿色)。实心曲线为高斯拟合。(i–l)空间分布方差随探测延迟的变化。直线是线性拟合。
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图3.(a–d)分别从n=1、2、3和4的F
8ZnPc/nL-WS
2/石墨烯异质结构样品测量的时空分辨差分反射率。(e–h)4个样本的差分反射率的选定空间分布,探针延迟为5.7(黑色)、20.6(红色)、35.5(蓝色)、50.4(粉色)和65.4 ps(绿色)。实心曲线为高斯拟合。(i–l)空间分布方差随探测延迟的变化。(i)中的蓝色曲线是拟合曲线(见文本)。其初始斜率和最终斜率(红线作为视线引导)分别对应于55和13 cm
2 s
–1的扩散系数。
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图4.(a) 基于MoS
2的异质结构样品的峰值差反射率作为探针延迟的函数,在泵浦点和探针点重叠的情况下测量。青色曲线为单指数拟合。(b) 推导出的衰减时间常数是MoS
2层数的函数。(c) 由于空穴隧穿到石墨烯导致的电荷复合模型示意图。(d、e和f)与基于WS2的异质结构样品的(a)、(b)和(c)相同。
图5.(a) nL-MoS
2薄片的光学显微镜图像。(b) MoS
2薄片的不同区域的光致发光光谱如(a)所示。插图显示了薄片不同区域的光学对比度。
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图6.(a) nL-WS
2薄片的光学显微镜图像。(b)是 (a)中所示样品不同区域的光致发光光谱。插图显示了薄片不同区域的光学对比度。
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图7.(a)CVD生长了不同厚度的1L MoS
2和F
8ZnPc膜。右图显示了从UPS光谱和报告的这些材料的带隙得出的能级图。(b) 与(a)相同,但MoS
2被1L WS
2代替。
相关研究成果由堪萨斯大学Wai-Lun Chan和Hui Zhao等人2023年发表在ACS Nano (
https://doi.org/10.1021/acsnano.2c12577)上。原文:Hybrid Heterostructures to Generate Long-Lived and Mobile Photocarriers in Graphene。
转自《石墨烯研究》公众号