由二維材料的多個垂直堆疊組成的范德華 (vdW) 異質(zhì)結(jié)構(gòu)與其單一成分的對應(yīng)物相比表現(xiàn)出獨特的光電特性。 相鄰層之間的層間耦合直接影響激子和電荷的轉(zhuǎn)移，從而控制器件性能。 在此，我們報告了在過渡金屬二硫?qū)倩?石墨烯 vdW 異質(zhì)結(jié)構(gòu)中發(fā)生的層間能量轉(zhuǎn)移強烈依賴于層間距離并調(diào)節(jié)光電流的產(chǎn)生。 包含化學(xué)氣相沉積生長層的 MoSe
2/石墨烯和 MoSe
2/六方氮化硼 (h-BN)/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)顯示出 MoSe
2 的不同程度的光致發(fā)光 (PL) 淬滅相對于層數(shù)和相鄰層的類型。 拉曼光譜和 PL 光譜的比較表明，h-BN 夾層可以調(diào)節(jié)從 MoSe
2 到石墨烯的長程激子能量轉(zhuǎn)移，光電導(dǎo)體器件的光電流測量證實了這一點。 這些結(jié)果強調(diào)了調(diào)制 vdW 異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的層間耦合對光電器件制造和控制的影響。
圖 1. vdW 垂直異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制造。 (a) 在c-藍寶石襯底 PMMA 上外延生長的 MoSe
2 轉(zhuǎn)移到 SiO
2/Si 晶片上，然后通過隨后的轉(zhuǎn)移被CVD生長的石墨烯島覆蓋。 最右邊的圖像說明了制備的垂直異質(zhì)結(jié)構(gòu) (GM) 的側(cè)視圖。 (b) 在石墨烯島的二次轉(zhuǎn)移之前，主要由CVD生長的 h-BN 層覆蓋的 MoSe
2/SiO
2。最右邊的圖像顯示了所得異質(zhì)結(jié)構(gòu)(GhM)的側(cè)視圖。
圖 2. CVD 生長的石墨烯、MoSe
2和h-BN的結(jié)構(gòu)分析。 (a) Cu箔上的石墨烯。(b) c-藍寶石襯底上的MoSe
2域和 (c) Cu箔上的 h-BN 層的 SEM 圖像。 插圖是代表性域的放大圖像。 比例尺：(a) 100 um；(b) 2 um；(c) 5um。 內(nèi)嵌比例尺： (a) 10 um；(b) 1um；(c) 1um。(d-f) 對應(yīng)于石墨烯、MoSe
2 和 h-BN 域的拉曼光譜。 (g) 石墨烯的 C 1s，(h) MoSe
2 的 Mo 3d 和 Se 3d，以及 (i) h-BN 的 B 1s 和 N 1s 的核心級 XPS 光譜。
圖 3. 垂直vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)。(a) GM垂直vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)的SEM圖像。每個域區(qū)域的邊界用實線突出顯示：藍色，石墨烯；紅色，MoSe
2。插圖顯示了 GM 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的示意圖。 比例尺：2um。 在 (b) 石墨烯 G 峰 (1580 cm
-1) 和 (c) MoSe
2A
1g 峰(242 cm
-1)處獲得的a部分黃色框區(qū)域的拉曼強度映射。G和M分別表示石墨烯和 MoSe
2。 (d)在MoSe
2帶邊緣發(fā)射 (1.55 eV) 處測量的 PL 強度映射。 (e) SEM圖像顯示hM和GhM垂直vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的邊界。 石墨烯域邊界由藍色實線突出顯示。 插圖示意圖說明了每個區(qū)域的層配置。 比例尺：2um。 在 (f) 石墨烯 G 峰 (1580 cm
-1) 和 (g) MoSe
2A
1g 峰 (242 cm
-1) 處獲得的e部分中黃色框區(qū)域的拉曼強度映射。 (h) 在 MoSe
2da帶緣發(fā)射 (1.55 eV) 處測量的 PL 強度映射。
圖4。vdW垂直異質(zhì)結(jié)構(gòu)的層相關(guān)光致發(fā)光。(a)從GM(左)和GhM(右)樣品的三個不同區(qū)域獲得的PL光譜。(b)根據(jù)層結(jié)構(gòu)，光致發(fā)光峰值強度的直方圖解卷積成自由激子(XA)和負三子(XT)發(fā)射。(c)vdW垂直異質(zhì)結(jié)構(gòu)中激子/三重子發(fā)射過程的示意圖，取決于襯底接近度和IET。每個發(fā)射的相對強度由箭頭的厚度表示。實心和空心紅點分別表示電子和空穴。
圖 5. GM 和 GhM 光電導(dǎo)體器件的 I-V 特性。 (a) 基于GhM異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光電導(dǎo)體示意圖。 (b)本研究中使用的設(shè)備的照片。 白色虛線表示轉(zhuǎn)移區(qū)域的邊界。 比例尺：1毫米。 (c) SEM 圖像顯示了b部分所示的Au電極之間的區(qū)域。下圖顯示了 GM 垂直異質(zhì)結(jié)構(gòu)的放大視圖。 比例尺：10 微米（上）和 2 微米（下）。 (d) 純石墨烯器件在明暗條件下的 I-V 特性。 (e) GM 和 GhM 器件在明暗條件下的 I-V 特性。 (f) GM和GhM的開燈和關(guān)燈條件的電流比。 顯示了來自僅石墨烯設(shè)備的數(shù)據(jù)以進行比較。
相關(guān)科研成果由韓國仁荷大學(xué)Naechul Shin等于2021年發(fā)表在ACS Applied Nano Materials（https://doi.org/10.1021/acsanm.1c02599）上。原文：Interlayer Energy Transfer and Photoluminescence Quenching in MoSe2/Graphene van der Waals Heterostructures for Optoelectronic Devices。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
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