“闪闪发光”的单原子层2D材料

石墨烯的发现不仅丰富了碳材料的家族体系,还为我们开辟了一个全新的研究领域——2D(二维)材料。这种二维材料具有诸多特性,如厚度薄、平面上无悬挂键等,其在新能源、生物医疗与光电子等领域已经体现出了应用价值。作为有代表性的2D材料,单层过渡金属二硫族化物(如MoS2、WS2等)更是展现出了其特有的优势。该种单层材料是直接带隙半导体(块体材料是间接带隙半导体),所以具备了强荧光发射能力。此外,原子层厚度使得单层材料拥有了较高的激子结合能(>1eV)。

谢黎明,国家纳米科学中心研究员,博士生导师。

         国家纳米科学中心的谢黎明教授所在的研究团队根据单层MoS2的上述特性并结合纳米材料的发光性质,通过改变单层MoS2的介电环境,进而改变了单层MoS2的激子结合能,最终达到调节单层MoS2的荧光发射波长

         虽然从有想法到发现该现象花费了谢教授一个月的时间,但在随后的系统研究中却非一帆风顺。他说:“在使用普通溶剂调节单层MoS2的荧光发射波长时,我们获得了仅30meV的红移(远远小于激子结合能,~1.1eV),这也远远小于小于我们的预期。我们通过进一步分析,认为极性溶剂介电环境减小激子结合能的同时,也减小带带跃迁能,而荧光发射能等于带带跃迁能减去激子结合能,因此环境变化对荧光发射能的影响远小于激子结合能的变化。正当我们有点失望时,我们发现含卤素溶剂能够大大增强单层MoS2的荧光发射,更重要的是发射能量蓝移。这个现象出乎预料。刚好当时arxiv.org上有工作报到电场调制下单层MoS2的荧光发射研究,也发现了反常的荧光蓝移现象,并给出了合理的解释(带电激子的形成)。这个也能解释我们的实验现象,而且拉曼光谱也给出了辅助证据。”

图(a)为该项研究的实验简图;图(b)是典型的单原子层MoS2光学图片

图(a)为该项研究的实验简图;图(b)是典型的单原子层MoS2光学图片

        众所周知,单层MoS2的层数确认一般要采用拉曼表征,但是他们采用了一种更简单且快捷的判断方法,即使用MoS2的衬度判断层数。谢教授的团队成员在Matlab上自行编写了一个GUI程序来分析MoS2的衬度,从而可以准确地判断层数(单层MoS2的衬度在10%左右)。另外,为了测定溶液中显微拉曼光谱,他们还设计了一个微液池。微液池可以控制溶剂厚度在100微米以下,从而可以更好地收集荧光信号。

“第一作者毛囡囡同学是国家纳米科学中心和北京大学的联合培养博士生。我主要是和她讨论研究思路和分析实验结果。第四作者北京大学的张锦教授具有丰富的显微拉曼和荧光测量经验和基础,他的参与是实验能快速、顺利完成的关键。第三作者清华大学的刘大猛老师具有丰富的理论模拟和理论计算经验,他在数据解释方面给予了很多建设性建议。我们尝试过模拟不同分子和单层MoS2的相互作用及其对MoS2电子结构的影响,但是由于体系相对复杂,其结果没有包括在这项成果里面。”  ——谢黎明教授

         诚然这研究工作还尚存未解决的科学问题。单层MoS2和不同溶剂分子的相互作用的差别及其对MoS2电子结构的影响。谢教授将在理论模拟的指导下,开展一些验证性实验,最终达到利用环境变化来调控单层MoS2的各种性质。

        谢教授指出MoS2的光致发光是一项基础性研究工作,其研究的重点应放在以下四个方面。第一点是谷旋光选择性荧光;第二点是通过荧光测量研究电荷和激子的相互作用;第三点是基于单层MoS2荧光的生物传感器研究;第四点是发光波长调制,即带隙调控,特别是近红外区发光的研究。在潜在的技术应用上,谢教授认为单层MoS2荧光信号未来可用于生物成像,将MoS2在溶液中分散成单层,然后利用其环境敏感的荧光发射探测细胞或者组织的微环境(极性/非极性、富电子/少电子等)。与此同时,谢教授还表示他近期发表的另一项工作可以为二维原子晶体的发光波长在近红外区的调控提供新思路,即在二维体系中合金化不同带隙的过渡金属二硫族化物,然后通过组份变化来调控二维原子合金的带隙和荧光发射波长

About Xu Guangchen

MaterialsViewsChina专栏作者,同时为WILEY出版集团旗下的材料科学类期刊提供作者服务。