自石墨烯在2004年被發(fā)現(xiàn)以來,二維材料以其優(yōu)異的光電特性在凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)、納米科學(xué)等領(lǐng)域引起了研究人員的廣泛關(guān)注。層狀二硫化鉬(molybdenum disulfide,MoS_2)作為一種典型的二維材料,具有與石墨烯不同且互補的物理特性,如層數(shù)可調(diào)控的能帶結(jié)構(gòu)與禁帶寬度,單層高量子效率的光致發(fā)光,皮秒量級超快的光電響應(yīng),布里淵區(qū)的谷選擇性,超高的激子束縛能等。這些獨特的性質(zhì)使得MoS_2在晶體管、光電探測器、光伏器件、發(fā)光二極管等器件中得到了廣泛的應(yīng)用。由于MoS_2的許多物理與化學(xué)過程都發(fā)生在表面與界面,因此其表面和界面特性決定了光電器件的響應(yīng)與性能。太赫茲發(fā)射光譜是一種靈敏、非接觸式表征材料表面與界面特性的光譜手段,包含振幅、波形、相位、偏振、極性等豐富的光譜信息,并具有亞皮秒量級的時間分辨率與微米到納米量級的空間分辨率�；诖�,本文通過分析層狀MoS_2材料產(chǎn)生太赫茲輻射的特性與物理機理來研究MoS_2的表面和界面特性,主要工作與創(chuàng)新點如下:(1)總結(jié)了石墨烯、過渡金屬硫族化合物、拓撲絕緣體、雜化鈣鈦礦材料太赫茲發(fā)射光譜的研究進展。與傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料不同,這四類新型材料具有豐富的表界面信息,超快的光電流響應(yīng),較高的非線性系數(shù),獨特的表面態(tài)響應(yīng)等物理性質(zhì),對其太赫茲發(fā)射光譜的研究不但可以促進新型太赫茲輻射源的發(fā)展,還可實現(xiàn)對層狀材料表、界面特性的表征。這部分內(nèi)容已作為“Topical Review”發(fā)表在Journal of Physics:Condensed Matter期刊上(SCI二區(qū))。(2)太赫茲光譜系統(tǒng)的搭建。自主搭建了基于飛秒激光的太赫茲時域光譜、光學(xué)泵浦-太赫茲探測、太赫茲發(fā)射光譜三套實驗系統(tǒng),并介紹了飛秒激光器系統(tǒng),太赫茲系統(tǒng)的搭建步驟與信噪比優(yōu)化過程,電光探測太赫茲時域信號的原理,太赫茲不同偏振分量的采集等。這部分內(nèi)容是開展MoS_2太赫茲發(fā)射光譜特性研究的實驗基礎(chǔ),有助于加深對后續(xù)工作實驗部分的理解,并為其它光譜系統(tǒng)的搭建提供了參考。(3)層狀MoS_2晶體的反射型太赫茲發(fā)射光譜特性的研究。利用反射型太赫茲發(fā)射光譜系統(tǒng)研究了MoS_2晶體的表面特性,發(fā)現(xiàn)其表面對稱性破缺引起的表面光整流效應(yīng)是MoS_2輻射太赫茲波的主要機理。并根據(jù)太赫茲輻射關(guān)于MoS_2晶體方位角、入射光偏振角、泵浦功率等依賴關(guān)系在理論上驗證了實驗結(jié)果。此外,結(jié)合MoS_2的太赫茲輻射光譜和拉曼(Raman)光譜在微觀下分析了MoS_2表面化學(xué)鍵的斷裂與形成,并得到MoS_2的飛秒激光損傷閾值為5.66 mJ/cm~2。這是首次在過渡金屬硫族化合物中觀察到的太赫茲輻射,并且系統(tǒng)分析了影響MoS_2二階非線性極化強度的因素,為基于MoS_2非線性光學(xué)器件的應(yīng)用提供了理論參考。相關(guān)研究結(jié)果已在ACS Applied MaterialsInterfaces期刊上發(fā)表(SCI一區(qū))。(4)層狀MoS_2晶體的透射型太赫茲發(fā)射光譜特性的研究�；谌肷浣嵌瓤烧{(diào)的透射型太赫茲表面發(fā)射光譜,我們發(fā)現(xiàn)在泵浦光垂直入射時MoS_2晶體表面對稱性破缺引起的共振光整流效應(yīng)對太赫茲輻射的貢獻比例約為90%。在入射角度為-40~o時,共振光整流效應(yīng)的貢獻比例降至40%,這是由于斜入射情況下表面電場(耗盡層電場)引起的瞬態(tài)光電流效應(yīng)對太赫茲輻射的貢獻。在表面電場中,光生載流子數(shù)量的增多會引起靜電屏蔽效應(yīng),因此太赫茲振幅隨著泵浦功率的增大呈飽和趨勢。這一趨勢可由基于電磁場邊界條件的計算得到一致的擬合。此外,通過對比MoS_2和GaAs的太赫茲發(fā)射光譜可以得出MoS_2晶體的載流子類型是p型,這種表征方法不需要外加電極與損傷樣品,相比傳統(tǒng)基于霍爾效應(yīng)的測量方法更加方便。相關(guān)研究結(jié)果已在The Journal of Physical Chemistry C期刊上發(fā)表(SCI二區(qū))。(5)層狀MoS_2晶體的橢偏型太赫茲發(fā)射光譜特性的研究。傳統(tǒng)的觀點認(rèn)為自旋-軌道耦合引起的自旋分裂和自旋極化只能發(fā)生在對稱破缺的材料中。在本文的研究工作中,利用橢偏型太赫茲發(fā)射光譜可以在中心對稱的MoS_2晶體中觀察到圓偏振光旋轉(zhuǎn)方向敏感的超快光電流,這是自旋-軌道耦合引起的能帶分裂與圓偏振光激發(fā)下光學(xué)躍遷選擇定則共同作用的結(jié)果。MoS_2晶體的自旋極化來源于鉬原子點群不對稱性引起的局域Dresselhaus效應(yīng),這一自旋極化可引起光生載流子在動量空間的不對稱分布并產(chǎn)生超快圓偏振光致電流,從而向外輻射橢圓偏振的太赫茲波。這一工作不但利用光學(xué)方法實現(xiàn)對中心對稱層狀二維材料自旋極化的控制,并提出太赫茲發(fā)射光譜可作為一種靈敏、非接觸式探究二維材料自旋物理特性的手段。相關(guān)研究結(jié)果已投稿于Physical Review Letters期刊。(6)單層MoS_2及石墨烯/MoS_2異質(zhì)結(jié)的太赫茲發(fā)射光譜。由于單層與塊體MoS_2能帶結(jié)構(gòu)的差異,泵浦光的光子能量(1.55 eV@800 nm)介于兩種結(jié)構(gòu)的帶隙之間(1.29 eV與1.9 eV),同一波長泵浦下可能會在單層與塊體MoS_2中引起不同的物理過程。通過波長可調(diào)的太赫茲發(fā)射光譜可得,在1.55 eV泵浦光激發(fā)單層MoS_2時引起太赫茲輻射的物理機理為非共振光整流效應(yīng)。而用3.1 eV泵浦時則產(chǎn)生瞬態(tài)變化的光致電流(文獻上稱為移位電流(shift current)),該瞬態(tài)電流是單層MoS_2太赫茲輻射的主要機理,并且和1.55 eV泵浦時相比太赫茲振幅得到了增強。此外,對比單層MoS_2的太赫茲發(fā)射光譜,構(gòu)建石墨烯/MoS_2異質(zhì)結(jié)也有效提高了太赫茲輻射效率。這是由于石墨烯中光牽引電流與MoS_2中非線性極化過程的共同貢獻。由于3.1 eV泵浦時會在MoS_2中產(chǎn)生移位電流,此時異質(zhì)結(jié)界面電流由MoS_2轉(zhuǎn)移到石墨烯,與1.55eV泵浦時產(chǎn)生界面電流的方向相反,從而導(dǎo)致太赫茲波形的極性反轉(zhuǎn)。相關(guān)工作不但有助于發(fā)展基于異質(zhì)結(jié)的新型太赫茲輻射源,還提出了利用太赫茲發(fā)射光譜技術(shù)來探究異質(zhì)結(jié)材料的界面電流與電荷轉(zhuǎn)移動力學(xué)過程。相關(guān)的研究結(jié)果正在整理撰寫中。
【學(xué)位單位】：西北大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：O433;TB34;O441.4
【部分圖文】：

由于直立生長石墨烯內(nèi)部全反射對光的捕獲作用可以有效增強光與物質(zhì)的相互作用，其太赫茲輻射強度相比單層石墨烯提高了約 10 倍。圖1 石墨烯的太赫茲發(fā)射光譜：（a）石墨烯-金樣品產(chǎn)生太赫茲輻射的示意圖；（b）單層石墨烯（藍）、純金層（黑）、以及石墨烯-金樣品（紅）產(chǎn)生太赫茲輻射的對比[32]；（c）當(dāng)泵浦光斜入射多層石墨烯時，帶間區(qū)域瞬時非熱電子和空穴的分布；（d）飛秒脈沖光垂直入射（上層）和斜入射（下層）激發(fā)石墨烯時產(chǎn)生的非平衡電子集居分布；（e）多層石墨烯樣品產(chǎn)生太赫茲輻射的實驗光譜（綠）和理論計算所得光譜（紅）[25]對于多層石墨烯的太赫茲發(fā)射光譜，Maysonnave 等人從光泵浦后載流子分布的角度對動態(tài)光牽引效應(yīng)進行了微觀物理解釋[25]。如圖 1（c）和（d）所示，當(dāng)飛秒脈沖光斜入射泵浦石墨烯時，電子和空穴的分布關(guān)于狄拉克錐（Dirac cone）中心是非對稱的，因此會驅(qū)動載流子的運動并產(chǎn)生瞬時凈電流，從而向外輻射太赫茲脈沖。而在泵浦光垂直入射時，沿著正負兩個方向載流子的非平衡分布是對稱的，此時兩部分動量貢獻會相互抵消，因此沒有太赫茲輻

第一章 緒論主要是由于兩個樣品能帶結(jié)構(gòu)、空間對稱性、二階非線性系數(shù)的差別。在圓偏振光激發(fā)下，單層 WS2可產(chǎn)生橢偏的太赫茲輻射，其最大橢偏度約為 0.52。我們組的司珂瑜等人在層狀 WSe2晶體中觀察到了與 WS2晶體特性相似的太赫茲輻射，WSe2表面耗盡電場的寬度為 115nm，最大強度為 5.26×106V/cm[46]。從 TMDs 太赫茲發(fā)射光譜的相關(guān)研究可得，大多數(shù) TMDs 的能帶較寬（大于 1eV），容易形成表面耗盡電場從而產(chǎn)生超快光電流。此外，即使是物理性質(zhì)相似的 TMDs，或是層數(shù)不同的同種材料，能帶結(jié)構(gòu)或非線性極化率系數(shù)的差別也會在非線性過程中產(chǎn)生巨大差異，導(dǎo)致太赫茲輻射的主要物理機理不同。

是最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。圖3 （a）MoS2原子排布結(jié)構(gòu)的示意圖；（b）單層 MoS2的光學(xué)顯微圖像和（c）原子力顯微鏡（AFM）圖像；（d）塊狀 MoS2晶體的光學(xué)照片；（e）不同堆疊次序所產(chǎn)生的 MoS2晶相類型[62]MoS2電子學(xué)性質(zhì)中最顯著的一個特征是，塊體 MoS2是帶隙約為 1.29eV 的間接帶隙半導(dǎo)體，而單層 MoS2是帶隙為 1.9eV 的直接帶隙半導(dǎo)體[36]。這是由于單層 MoS2中激子的 Bohr 半徑為 9.3 ，束縛能高達 ~0.9eV[63]，然而三層原子結(jié)構(gòu)的厚度（一個單元內(nèi)頂層與底層 S 原子的距離）只有 3.17 ，因此產(chǎn)生了強量子局域效應(yīng)[61]。MoS2的六角布里淵區(qū)和能帶示意圖如圖 4（a）和（b）所示。少層和塊體 MoS2的間

【參考文獻】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 朱禮鵬;飛秒光激發(fā)石墨烯、二碲化鎢的太赫茲發(fā)射光譜研究[D];西北大學(xué);2018年

2 張逸竹;新型寬帶太赫茲源物理機制的研究[D];南開大學(xué);2012年

本文編號：2834950