CuS及CuS-P3HT范德瓦尔斯异质结构的光生载流子动力学研究

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作为一种重要的p型半导体,CuS具有较高的空穴迁移率,在电荷存储等方面有着广阔的应用前景和推广价值。尽管在形貌调控、化学合成、器件设计等方面有着相当数量的报道,但是关于CuS及其范德瓦尔斯异质结构在超快时间尺度上的载流子动力学信息的报道却很少见诸笔端。通过超快激光脉冲对材料进行载流子注入进而对材料中的光生载流子信息进行研究,这对于从基础物理学的角度理解并探究材料电荷传输过程及光与物质的相互作用是至关重要的。本论文利用微区瞬态吸收光谱研究了CuS的光生载流子的时空动力学、压力调控对CuS产生的影响以及CuS-P3HT异质结的层间超快电荷转移过程,获得的主要创新结果如下:利用微区的瞬态吸收光谱对CuS的光生载流子动力学过程进行了研究,并在CuS中观察到了相干光学声子与光生载流子诱导的瞬态吸收成分的叠加。将相干光学声子信号从光生载流子信号中成功分离并利用含时的傅里叶变换证明了它与具有拉曼活性的声子振动模式的对应性。室温下诱导的差分反射信号的时间分辨测量揭示了CuS的光生载流子寿命约为1.5 ns;空间分辨测量揭示了CuS平面内的光生载流子扩散系数约为4.5 cm~2/s。这些结果对于CuS的光生载流子动力学性质提供了实验数据支撑,为进一步了解CuS相关性质打下基础,并有助于推动基于CuS的各种光电子器件的发展。设计并搭建了一种可以原位检测样品在压力诱导下产生的相关变化的反射光谱系统。该原位检测反射光谱系统集稳态吸收光谱、拉曼光谱和微区的瞬态吸收光谱于一体。利用该检测系统对不同压强下的CuS的电子结构、相结构以及载流子动力学进行了系统的研究。室温下的时间分辨的微区吸收光谱结果显示CuS的光生载流子解离速率随压力逐步增加,对太阳能的光电流增强有积极影响。通过对压力下的反射对比光谱和拉曼光谱的研究,观测到CuS在压力调控下发生了带隙蓝移,拉曼模式软化等转变,揭示了压力会对其电子结构、相结构进行有效调节。首次研究了CuS和P3HT之间的超快层间电荷转移和激子动力学过程,并在其层间电荷转移的过程中观察到热激子参与传输的证据。光致发光光谱显示,异质结区域的发光强度相较于P3HT薄膜猝灭程度超过83%,表明形成了良好的异质界面。瞬态荧光光谱的结果显示出P3HT与CuS之间存在明显的超快电子电子转移过程。示意性地建立了P3HT与CuS异质结构的层间电荷转移路径图。这些信息有助于为基于有机-无机范德瓦尔斯异质结构界面的热激子与电子传递相关的光伏器件的进一步发展提供基础理解。
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