本研究報(bào)告了在由單層石墨烯、少數(shù)層過渡金屬二醇化物和有機(jī)半導(dǎo)體F8ZnPc形成的混合范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生長壽命和高度移動的光載流子。通過在石墨烯膜上干燥轉(zhuǎn)移機(jī)械剝離的MoS
2或WS
2薄層薄片，然后沉積F
8ZnPc來制備樣品。進(jìn)行瞬態(tài)吸收顯微鏡測量以研究光載流子動力學(xué)。在F
8ZnPc/多層MoS
2/石墨烯的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)
8ZnPc中激發(fā)的電子可以轉(zhuǎn)移到石墨烯，從而與F
8ZnPc中的空穴分離。通過增加MoS2的厚度，這些電子獲得了超過100 ps的長復(fù)合壽命和2800 cm
2 V
–1 s
–1的高遷移率。在WS
2作為中間層的情況下，還顯示了帶有移動空穴的石墨烯摻雜。這些人造異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以提高石墨烯基光電子器件的性能。
圖1.（a） 由F
8ZnPc、1L MoS
2和石墨烯形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的帶取向。左側(cè)的上下水平線表示F
8ZnPc的LUMO和HOMO能級。橙色和灰色框表示MoS
2和石墨烯的導(dǎo)帶和價(jià)帶。光激發(fā)電子（−）有望轉(zhuǎn)移到石墨烯，而空穴（+）位于F
8ZnPc中。（b） F
8ZnPc/WS
2/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的能帶對準(zhǔn)，允許石墨烯的空穴摻雜。（c） 強(qiáng)結(jié)合狀態(tài)下F
8ZnPc/MoS
2/石墨烯中的面內(nèi)載流子分布示意圖，其中F
8ZnPc中的固定空穴阻止了石墨烯中電子的自由運(yùn)動。（d） 在具有較厚MoS
2中間層的弱結(jié)合狀態(tài)下，石墨烯中電子的顯著面內(nèi)擴(kuò)散。
圖2:（a–d）分別從n=1、2、3和4的F
8ZnPc/nL-MoS
2/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)樣品測量的時空分辨差分反射率。（e–h）4個樣品的差分反射率的選定空間分布。對于（e），探測延遲為2.8（黑色）、10.2（紅色）、17.7（藍(lán)色）、25.1（粉色）和33.0 ps（綠色）。對于（f）、（g）和（h），探測延遲為5.5（黑色）、20.4（紅色）、35.3（藍(lán)色）、50.2（粉色）和65.0 ps（綠色）。實(shí)心曲線為高斯擬合。（i–l）空間分布方差隨探測延遲的變化。直線是線性擬合。
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圖3.（a–d）分別從n=1、2、3和4的F
8ZnPc/nL-WS
2/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)樣品測量的時空分辨差分反射率。（e–h）4個樣本的差分反射率的選定空間分布，探針延遲為5.7（黑色）、20.6（紅色）、35.5（藍(lán)色）、50.4（粉色）和65.4 ps（綠色）。實(shí)心曲線為高斯擬合。（i–l）空間分布方差隨探測延遲的變化。（i）中的藍(lán)色曲線是擬合曲線（見文本）。其初始斜率和最終斜率（紅線作為視線引導(dǎo)）分別對應(yīng)于55和13 cm
2 s
–1的擴(kuò)散系數(shù)。
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圖4.（a） 基于MoS
2的異質(zhì)結(jié)構(gòu)樣品的峰值差反射率作為探針延遲的函數(shù)，在泵浦點(diǎn)和探針點(diǎn)重疊的情況下測量。青色曲線為單指數(shù)擬合。（b） 推導(dǎo)出的衰減時間常數(shù)是MoS
2層數(shù)的函數(shù)。（c） 由于空穴隧穿到石墨烯導(dǎo)致的電荷復(fù)合模型示意圖。（d、e和f）與基于WS2的異質(zhì)結(jié)構(gòu)樣品的（a）、（b）和（c）相同。
圖5.（a） nL-MoS
2薄片的光學(xué)顯微鏡圖像。（b） MoS
2薄片的不同區(qū)域的光致發(fā)光光譜如（a）所示。插圖顯示了薄片不同區(qū)域的光學(xué)對比度。
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圖6.（a） nL-WS
2薄片的光學(xué)顯微鏡圖像。（b）是 （a）中所示樣品不同區(qū)域的光致發(fā)光光譜。插圖顯示了薄片不同區(qū)域的光學(xué)對比度。
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圖7.（a）CVD生長了不同厚度的1L MoS
2和F
8ZnPc膜。右圖顯示了從UPS光譜和報(bào)告的這些材料的帶隙得出的能級圖。（b） 與（a）相同，但MoS
2被1L WS
2代替。
相關(guān)研究成果由堪薩斯大學(xué)Wai-Lun Chan和Hui Zhao等人2023年發(fā)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。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
