中國浙江大學(xué)的朱海明教授和他的研究團(tuán)隊研究了二維材料和范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)的多個方面，包括它們在光激發(fā)下的行為。范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)是原子級薄的二維材料層，可以按特定順序堆疊以獲得所需的器件性能。世界各地都在研究這種新型設(shè)備，因為這種新型設(shè)備具有類似塊體結(jié)構(gòu)無法實現(xiàn)的物理特性和行為。

朱教授的團(tuán)隊最近研究了范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)對于高效光捕獲的適用性，并在《化學(xué)物理雜志》上發(fā)表了一篇新文章，報告了他們的實驗和發(fā)現(xiàn)。他們的發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)上受 30% Shockley-Queisser 效率限制的光伏和光電設(shè)備相關(guān)。然而，在 2D 材料中，如果高能或熱光激發(fā)電荷能夠在器件的材料界面處足夠快地提取，從而不會通過光發(fā)射或非輻射過程重新組合，則可以突破此限制。

研究人員利用過渡金屬二硫?qū)倩?MoTe2 和 WS2 構(gòu)建了范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并使用光學(xué)技術(shù)進(jìn)行研究，這在二維材料的表征和研究中非常常見。朱教授的團(tuán)隊使用光致發(fā)光(PL)光譜、吸收光譜和瞬態(tài)泵浦探針吸收光譜進(jìn)行實驗。

由于寬帶材料特性，PL 和吸收光譜的設(shè)置涉及從可見光到紅外波長的檢測，覆蓋范圍從 2.1eV (590nm) 到 0.9eV (1370nm)。Pylon-100 相機(jī)用于從可見光到 NIR 的有效檢測，Pylon-IR低溫 InGaAs 陣列用于 1000 nm 以上的檢測。對于瞬態(tài)吸收光譜，泵浦探針裝置用于通過超短 35fs 脈沖泵浦樣品，并使用ProEM-1600 EMCCD 相機(jī)進(jìn)行檢測。

PL 光譜用于材料的初始表征并確定層數(shù)，以找到用于生產(chǎn)堆疊結(jié)構(gòu)的合適樣品。通過觀察原始層和堆疊層之間的 PL 發(fā)射行為，研究人員確定了材料組合時電子環(huán)境和電荷相互作用的變化。例如，2eV 左右的 WS2 強(qiáng)發(fā)射線在堆疊層中被強(qiáng)烈抑制，表明電荷超快轉(zhuǎn)移到 MoTe2 層。然后，瞬態(tài)吸收測量使研究人員能夠揭示電荷載流子行為的細(xì)節(jié)以及該特定結(jié)構(gòu)的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制及其效率。

研究小組在結(jié)論中指出，他們可以在所研究的結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)出有效的電荷轉(zhuǎn)移，使這些材料適合高效設(shè)備。他們指出，他們的“發(fā)現(xiàn)……”為使用 2D 范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計極薄吸收器和熱載流子器件提供了新鮮且令人興奮的機(jī)會。

審核編輯 黃宇