二维半导体二硫化钨纳米材料光学特性的综述与展望

2004年,单层碳原子即石墨烯被成功从石墨中分离并在显微镜下观察到,开启了纳米科学、纳米材料和纳米技术的新篇章。以石墨烯为代表的二维材料也成为当今基础科学与先进技术研究的热点。然而,尽管电子在石墨烯中的迁移率非常高,但是零能量带隙(半金属)的特性导致石墨烯无法直接应用于基于半导体的电子与光电器件中。过渡金属硫族化合物如MoS2, WS2, MoSe2 和WSe2等与石墨相同,具有层内强共价键及层间弱范德瓦尔斯力结合在一起的结构,同时拥有近红外和可见光区的本征能量带隙,尤为重要的是这些过渡金属硫族化合物在厚度减薄为单层时呈现出直接能量带隙。这类具有一定带隙的二维材料作为新型的二维层状半导体材料吸引了研究人员的广泛关注,被认为是实现新型二维电子尤其是光电器件最理想的材料体系。其中尤以二硫化钨(WS2)最为引人瞩目,因其具有较高的发光效率,强自旋-轨道耦合(约420 meV)和较大的激子束缚能以及2 eV的能隙(红光)。由强烈的自旋-轨道、自旋-谷间耦合导致的谷间反差是二维过渡金属硫族化合物的又一特质,成为拓展二维光电器件新性能的物理基础。此外,二维半导体材料同时具有类薄膜的宏观维度和二维体系量子限域的微观维度,使其既具备与成熟的半导体工艺的高度适配性又不失量子效应所带来的新性能。这些二维材料还具有很好的拉伸性和柔韧性,通常比体材料能承受更大的应变而不损伤,在新兴的柔性微纳技术行业也引起极大兴趣。二维半导体材料已经展现出很多,而且必将呈现更广泛的应用,尤其在基于该材料的新型微电子及光电子器件领域,同时带来巨大的、诱人的市场前景。

最近,复旦大学丛春晓教授和新加坡南洋理工大学于霆教授、尚景志博士、汪彦龙博士合作撰写了关于二维半导体材料二硫化钨光学特性及其光电应用方面的综述论文。该综述系统地介绍了二维层状半导体材料二硫化钨的激子发光特性包括激子、带电激子、束缚激子和双激子,以及层数、应力、衬底、缺陷、外加磁场、圆偏光、电学掺杂、化学掺杂、等离子体效应等对层状二硫化钨能带结构和激子发光特性的影响和调制,讨论了其单光子发射、激子-极化激元、受激发射、电致发光、谐波振荡和激子动力学等方面的特性和潜在应用,并对二硫化钨目前存在的问题和未来发展机遇与挑战进行了总结和展望。该文章对于深入了解二维半导体材料二硫化钨光学特性以及光电应用等方面将起到重要的指导意义。相关论文发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201700767)上。

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