北理工團隊利用普適性銀解理技術(shù)實現(xiàn)二維半導(dǎo)體熒光增強
發(fā)布日期:2022-09-17 供稿:前沿交叉科學研究院
編輯:朱倩云 審核:唐水源 閱讀次數(shù):先進的制備技術(shù)是研究二維材料的本征性質(zhì)以及推動材料走向應(yīng)用的基礎(chǔ),。近年來,二維材料以其獨特的性質(zhì)得到了科學家和工業(yè)界的廣泛關(guān)注,。二維材料的制備可以分為“自下而上”和“自上而下”兩種策略?!白韵露稀钡闹苽洳呗砸曰瘜W氣相沉積(CVD)和分子束外延(MBE)為代表的,;“自上而下”的制備策略以機械解理技術(shù)為代表。在過去的近二十年里,,CVD方法制備低維納米材料,,特別是在生長二維材料方面,,得到了廣泛的研究,并且取得了許多重要進展,。然而,,“自上而下”的制備解理技術(shù)是近五年來才得到廣泛關(guān)注,因此該研究領(lǐng)域現(xiàn)階段仍然有許多重要的科學問題有待解決,,是二維材料研究中一個蓬勃發(fā)展的新方向,。
利用常規(guī)的解理技術(shù)制備二維材料不僅薄層產(chǎn)率極低,而且面積也很小,,難以各種高精尖測試表征手段以及器件應(yīng)用中對大面積樣品的需要,。2015年,Peter Sutter教授和黃元博士提出了一種通過氧氣等離子體清潔硅片的方法,,成功制備了毫米級的單層石墨烯以及高溫銅基超導(dǎo)材料--鉍鍶鈣銅氧(BSCCO),。但是由于其他二維材料與含氧表面的吸附能并不高,導(dǎo)致這種方法其它材料的解理效果并不顯著,。2020年,,黃元教授與高鴻鈞院士團隊,周興江研究員團隊,,季威教授團隊等系統(tǒng)性的研究出通過金表面通用解理大面積二維材料的方法,,成功解理出了40種毫米級的二維材料(Nature Communications,(2020) 11:2453),。通過控制金膜的厚度,,可以直接實現(xiàn)將二維材料解理到導(dǎo)電或者絕緣的襯底上,為開展各種表征測試提供了靈活的選擇方案,。然而,,超平坦的金屬表面與二維材料相接觸,會在界面處產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移,,導(dǎo)致二維半導(dǎo)體的熒光完全淬滅,,為二維材料光學方面的研究帶來了諸多不便。同時,,以貴金屬“金”為媒介的大面積解理技術(shù)成本較高,,對于發(fā)展規(guī)模化的二維材料制備和應(yīng)用帶來了調(diào)整,。能否使用其他金屬代替金,,降低成本并實現(xiàn)大面積解理對于基礎(chǔ)研究和實際應(yīng)用都是一個非常重要的問題。
為了解答這個問題,,中國人民大學的季威教授與博士生戴佳琪等人使用第一性原理計算了16種常見的二維材料與銀111表面之間的相互作用,,結(jié)果表明兩個界面之間可以形成準共價鍵。這種準共價鍵的相互作用能量要大于這些材料的層間范德華相互作用,使得銀有望作為通用大面積二維材料解理技術(shù)的新媒介,,其機制與金輔助解理類似,。然而與金不同的是,銀與鈦浸潤性非常差,,使得在鈦表面蒸鍍產(chǎn)生的銀膜會形成類似納米顆粒的結(jié)構(gòu),。借助有限時域差分模擬以及銀膜消光譜的測試,研究人員發(fā)現(xiàn)這種粗糙的銀表面可能會激發(fā)表面等離極化激元的長程傳播,,從而使得銀上解理獲得的樣品與光的相互作用大幅增強,。
圖1. 利用第一性原理對層狀材料層間相互作用及層狀材料與Ag原子界面的相互作用的計算結(jié)果。
圖2. 銀膜表面的粗糙度表征與有限時域差分模擬模擬結(jié)果,。
為了檢驗解理效果以及銀膜表明是否存在等離激元效應(yīng),,北京理工大學的黃元教授、王業(yè)亮教授,,與東南大學的倪振華教授,、呂俊鵬教授等團隊開展聯(lián)合研究,在銀膜上制備了12種毫米級的單層二維材料,,驗證了這種銀膜解理技術(shù)的普適性,。通過對銀上1-5層MoS2以及相同層數(shù)懸空區(qū)域進行低波數(shù)拉曼光譜對比,發(fā)現(xiàn)銀上樣品的層間拉曼振動模式受到了極大的抑制,,從實驗上證明了二維材料與銀膜之間存準共價鍵誘導(dǎo)的釘扎效應(yīng)用,。令人驚奇的是,研究人員通過對銀上的單層的MoS2和MoSe2進行光致發(fā)光測量,,發(fā)現(xiàn)這兩種二維半導(dǎo)體在銀膜上表現(xiàn)出了極強的熒光,,甚至比它們懸空的單層區(qū)域還要強數(shù)倍。研究人員對這種熒光增強的機理進行了深入研究,,實驗結(jié)果表明二維材料與銀的界面結(jié)構(gòu)中可以產(chǎn)生珀塞爾效應(yīng)和激子重激發(fā)效應(yīng),從而使得二維半導(dǎo)體的熒光有極大的增強,,而這兩種效應(yīng)只有在粗糙的銀膜表面才能夠產(chǎn)生,。
圖3. 銀膜輔助解理技術(shù)示意圖及解理后的二維材料光學照片與熒光成像圖片。
圖4. 四種二維半導(dǎo)體材料在銀膜上的熒光特性對比,。
該工作通過理論與實驗相結(jié)合的研究方法,,首次利用銀實現(xiàn)了一步法大面積二維材料的解理和等離激元結(jié)構(gòu)的集成,實驗結(jié)果很好的驗證了理論和模擬的推論,。此外,,該工作還指出,通過控制銀的厚度可以實現(xiàn)光與物質(zhì)相互作用強度的調(diào)控,。銀輔助解理技術(shù)的發(fā)展不僅為二維材料的基礎(chǔ)研究提供了新思路,,也為未來二維材料大面積制備以及光波導(dǎo)集成等應(yīng)用方向的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。2022年9月14日,相關(guān)成果以“One-Step Exfoliation Method for Plasmonic Activation of Large-Area 2D Crystals”為題發(fā)表在頂級國際期刊Advanced Science上(Adv. Sci.2022, 2204247,,影響因子:17.521),,北京理工大學為第一完成單位,黃元教授與王業(yè)亮教授,、東南大學倪振華教授,、中國人民大學季威教授為共同通訊作者,博士研究生傅強為第一作者,。該工作得到了國家自然科學基金委,、科技部、北京市自然科學基金,、重慶市杰出青年基金以及中科院先導(dǎo)B等項目的資助,。
原文鏈接:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202204247
附作者介紹:
黃元,北京理工大學前沿交叉科學研究院教授,,博士生導(dǎo)師,。主要研究領(lǐng)域集中在二維材料的制備、表征,、器件加工和物性測量/調(diào)控等方向,。在Nature Physics、Nature Communications,、Physical Review Letters,、ACS Nano等共計發(fā)表SCI論文80余篇,其中第一作者(含共一)及通訊作者文章40余篇,,論文總引用4500余次,。主持國家重點研發(fā)計劃(青年項目),主持國家基金委優(yōu)秀青年基金和面上項目,,重慶市杰出青年基金項目,。2019年入選中科院青促會會員,2020年獲中國科協(xié)“中國十大科技新銳人物”榮譽稱號,,2021年獲中國發(fā)明協(xié)會發(fā)明創(chuàng)業(yè)獎創(chuàng)新獎二等獎(排名第一),,2022年獲中國發(fā)明協(xié)會創(chuàng)業(yè)獎成果獎二等獎(排名第二)。擔任Physical Review Letters,,Nature Communications, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Nano Letters,,《物理學報》等國內(nèi)外知名期刊審稿人;擔任《物理》《Chinese Physics Letters》《InfoMat》《Materials》期刊青年編委,。
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