层状二硫化钼:可调谐的光学平台

随着石墨烯研究取得的巨大成功,其他的层状材料,特别是具有一定带隙的二维材料成为了纳米功能材料研究领域的新热点。二硫化钼(MoS2)是最具代表性的具有带隙的过渡金属硫化物二维材料。单层二硫化钼由三层原子层构成,上下两层均为硫原子,中间层为金属钼原子,硫原子与钼原子相互连接形成类似于石墨烯的六方晶格结构。特别的是,二硫化钼体材料为间接带隙(带隙为1.3eV),而单层二硫化钼为直接带隙(带隙为1.9eV),这种由间接带隙向直接带隙的转变使单层二硫化钼在可见光区域呈现极强的荧光辐射。这些独特的性能使层状二硫化钼,特别是单层二硫化钼在微纳光电探测、新型发光器件、可饱和吸收体、光学传感器等诸多领域都具有广泛的应用前景。实现对其能带结构和光谱特性的可控调谐,对层状二硫化钼的应用具有非常重要的实际意义。

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基于近年来在层状二硫化钼的光谱特性、能带调谐与光电应用方面所取得的突破性进展,山西大学激光光谱研究所的肖连团教授团队系统总结了层状二硫化钼的晶体和能带结构,以及通过层间堆积角度、拉伸应力、环境温度、电学掺杂等物理手段实现对层状二硫化钼能带结构和光谱特性的调谐,讨论了准粒子在调谐中所起的作用,并对二硫化钼在未来研究存在的挑战和热点工作进行了展望。该文章首先介绍了单层二硫化钼的两种晶体结构及其能带特点,多层二硫化钼的堆叠方式及其稳定性。进而介绍了2H型二硫化钼中三种主要准粒子,即激子、三子(带负电的激子)、缺陷束缚的中性激子,它们的形成原因、能带结构、结合能以及对光谱形状和强度的贡献。随后文章详细综述了可用于调谐层状二硫化钼能带结构和光谱特性的方法,包括通过改变二硫化钼的层数实现从间接带隙到直接带隙的转变;通过改变双层二硫化钼的夹角来改变原子层之间的相互作用力;通过单轴和双轴拉伸力改变原子之间的距离;通过改变材料所处温度转换辐射和非辐射通道;通过掺杂(化学掺杂、气体吸附、缺陷掺杂、电学掺杂)改变层状二硫化钼与其表面物种的相互作用及电子转移;通过改变基底或者异质结的成分改变层状二硫化钼与接触面的相互作用;以及通过等离子体基元所带来的表面增强效应实现对层状二硫化钼的调谐。文章同时介绍了性能可调谐的层状二硫化钼在光电器件方面的应用,包括高灵敏光电晶体管和光电探测器、宽带的可饱和吸收体、微纳的光发射器件以及在气体和离子传感上的应用。最后还对未来在大尺寸高质量层状二硫化钼的合成与转移、层状二硫化钼在谷自旋电子器件和信息领域上的应用等研究方向和趋势给出了工作展望。该文章对于深入了解二硫化钼光电性能的调谐及其机理以及光电应用等方面将起到重要的指导意义。

相关论文在线发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201600323)上。