二维黑磷光电物理特性的实验研究

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单层(monolayer,ML)和少层(few-layer,FL)黑磷(black phosphorus,BP)是具有直接带隙的二维半导体材料,因高载流子迁移率、光电各向异性以及能带结构的层数依赖性,使得其在光电子学和电子学领域拥有很大科研和应用潜力。目前,具有较高稳定性和应用可行性的单层和少层黑磷主要通过液相剥离法得到,如:FL-BP纳米片、BP量子点(Quantum dot,QD)等。然而,人们对BP纳米片或BP量子点分散液的光吸收和光致发光(photoluminescence,PL)特性还缺乏系统性研究。基于此,本文通过控制溶剂、浓度及离心速率,制备了不同厚度和尺寸分布的FL-BP纳米片和BP-QD分散液,研究了其可见到近红外波段光吸收特性及PL特性的变化规律,还分析了上述光电特性的物理机制。本文的主要研究内容和结果包括:(1)分别以N-甲基吡咯烷酮(N-methyl-2-pyrrolidone,NMP)和水为溶剂,用液相剥离法制备了FL-BP纳米片和BP-QD分散液样品,并对其厚度(层数)和尺寸分布、形貌、结构等基本特性进行了表征。实验发现通过改变离心速率可对样品中FL-BP纳米片的平均厚度和平均横向尺寸进行调控,并得到了粗略的调控关系。此外,实验测得样品两个拉曼特征峰强度之比基本满足,证明了其中的BP基本未发生氧化退化,保持了较高的稳定性,这是由于FL-BP纳米片和BP-QD表面受到了溶剂化壳层保护导致的。(2)通过测量上述FL-BP纳米片分散液和BP-QD分散液在可见到近红外区间(300~2000 nm)的相对透射率谱,导出了对应的吸光度或吸光系数,并探讨了溶剂、样品浓度及离心速率的影响。分析发现,样品的光吸收特性是分散液中各种不同尺寸和厚度BP吸收特性的叠加效果,与尺寸和厚度的统计分布关系密切。可见光波段上的吸收峰受散射影响较大,从而强烈依赖于FL-BP或BP-QD的平均横向尺寸;而红外波段的吸收峰则主要由激子吸收导致,因此与分散液中BP的平均厚度(层数)关系更密切。(3)测量了FL-BP纳米片分散液和BP-QD分散液在较宽激发波长范围(λex=500-700 nm)内PL特性的变化,分别给出了峰值发光波长λem(Peak)和峰值发光强度随激发波长λex的变化规律。与过往针对单个FL-BP的研究不同,这里发现λem(Peak)-λex及-λex关系不止由BP平均厚度决定,还应该与平均尺寸相关。此外,样品的PL光谱也是其中所有BP纳米片或量子点发光的叠加结果。因此,它与前述光吸收之间存在竞争,只有二者大致平衡时才能出现最大的情况。本文不仅测出了FL-BP纳米片及BP-QD分散液对可见和近红外光吸收的相关光学参数,研究了PL峰值波长及强度与激发波长的关系,还较为系统地给出了溶剂、浓度和离心速率对这些特性的影响、规律及机制。这些结果不仅对少层BP分散液的光电特性研究是一个重要补充,明晰了相关物理机制,还为二维BP在光电领域的器件应用提供了参考。
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