类石墨烯等二维材料超快载流子动力学THz光谱研究

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石墨烯及类石墨烯等二维材料,具有原子层厚度、大的比表面积、高的机械强度和柔韧性等独特的机械、电子和光电子等特性,被广泛应用于各种电子和光电子器件中。目前人们通过一些基本的表征手段研究了石墨烯等二维材料的基态电子特性和光学特性,但是其激发态下载流子的动力学特性仍不明确。光激发下载流子动力学过程研究,不仅有助于了解该类材料的激发态弛豫的物理机制,还对基于该二维材料的电子和光电子器件的应用提供实验依据。值得一提的是,自由载流子的响应特征和载流子的迁移率,对光电导器件来说至关重要。由于太赫兹波具有较低的光子能量,可以灵敏地获取Fermi能级附近的自由载流子的相关特性,对光电导的研究具有一定的优势。本文中主要采用超快太赫兹光谱技术系统地研究类石墨烯等几种二维材料的光诱导电导率的变化和光激发载流子的超快动力学过程,取得了一系列有意义的研究结果,其主要内容如下:(1)氧化石墨烯(GO)具有制备成本低和易于大面积制备等特点,成为制备石墨烯的不错的选择。然而GO还原过程不可避免的引入晶格缺陷,而晶格缺陷是制约光电导效率的一个重要因素。据报道氢气中热还原氧化石墨烯能够有效的减少晶格缺陷,但是缺陷或者无序性对还原氧化石墨烯(RGO)光电转换效率和载流子的驰豫动力学的影响仍不明确,因此我们研究了不同退火温度对氢气中热还原GO样品的光电转换效率的影响。THz时间分辨光谱可以给出光激发载流子的驰豫过程:包括载流子间散射、载流子迁移率的变化、以及载流子-声子耦合的动态过程。另外RGO样品的电导率模型为Drude模型,从而证明了氢气中热退火得到的RGO样品具有较少的晶格缺陷和较完整的晶格结构。通过调节退火温度,可以调节RGO薄膜的Fermi能级,载流子动量散射时间和光诱导电导率的大小。(2)激子效应在二维(2D)过渡金属硫化物(TMDs)的光学和光电子特性中起主导作用。然而对于这种材料激发态下自由载流子和激子的弛豫过程仍是不明确的。为此我们采用超快太赫兹光谱研究少层WS2中激子和自由载流子的弛豫过程。我们的实验结果表明:光激发下自由载流子的衰减过程中存在俄歇复合过程,而激子的衰减过程中未发现激子与激子的湮灭过程。而瞬态太赫兹的复电导率模型可以用洛伦兹共振模型很好的拟合,表明自由载流子受到激子极化场的调制作用。(3)采用瞬态太赫兹光谱研究了不同基底和不同气氛下二维材料MoS2薄膜的光诱导电导率的变化。在氮气氛围下,蓝宝石基底的MoS2薄膜中出现光诱导负电导率的现象;而在空气和氧气中,蓝宝石基底的MoS2薄膜中则出现光诱导正电导率的现象。实验结果表明由于带电硫空位缺陷可以捕获激子,从而形成带电激子,导致光诱导电导率为负。由于氧吸附填充了硫空位缺陷,光激发下自由载流子占主导,导致光诱导电导率为正。此外,二维材料MoS2薄膜也受基片界面的影响。比较石英基底和蓝宝石基底生长的MoS2薄膜的THz光谱后发现,石英基底生长MoS2薄膜在氮气氛围中并没有出现光诱导负电导率的现象,这主要是由于熔融石英基底生长的MoS2薄膜,其碎片边缘更容易吸附氧分子而不易去除。
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