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Science Advances:勇创60%最高纪录!CVD制备单层WSe2材料实现高光致发光量子产率!

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研究背景

Science Advances:勇创60%最高纪录!CVD制备单层WSe2材料实现高光致发光量子产率!

二维过渡金属硫属化合物(TMDCs)MX2(M代表过渡金属元素,X代表 S、Se、Te)因为具有类石墨烯结构被广泛认为是未来电子器件应用方面极具潜力的明星材料。机械剥离法直接从体相中进行分离获得,虽可获得具有良好结晶性和化学稳定性的原子层材料,但是因其获得的材料的尺寸较小、可重复性不高,不利于电子器件的大规模应用。化学气相沉积法(CVD),作为一种自下而上的材料制备方法,因其压力、温度和挥发源的广泛性和可控性,被广发应用于二维原子层材料的可控制备,逐渐发展为一种制备纳米材料的成熟技术。但是目前面临的问题是,通过CVD方法制备的单层TMDCs二维材料不具备高效光致发光量子产率,往往低于机械剥离法制备的材料,极大限制了其在光电器件中的应用。因为,人们努力改进合成生长条件,以其获得具有高效光致发光量子产率的单层TMDCs二维材料。

 

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成果简介

Science Advances:勇创60%最高纪录!CVD制备单层WSe2材料实现高光致发光量子产率!

近日,加州大学伯克利分校Ali Javey团队报道了一种CVD法生长出的单层WSe2纳米材料,此材料实现了高达60%的光致发光量子产率,远远高于其他方法制备的单层WSe2纳米材料,包括机械剥离法,是目前光致发光量子产率最高的,突破了单层WSe2最高纪录。研究人员同时指出,这种高效的量子产率来源于改进的生长条件,包括调控卤化物促进剂的比例,引入溶剂蒸发法实现简单的基底脱离等。在制备WSe2原子层薄膜的基础上,研究了 WSe2原子层薄膜成膜机制。该成果发表在了Science Advances上,题为“Synthetic WSe2 monolayers with high photoluminescence quantum yield”

 

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图文导读

Science Advances:勇创60%最高纪录!CVD制备单层WSe2材料实现高光致发光量子产率!

Science Advances:勇创60%最高纪录!CVD制备单层WSe2材料实现高光致发光量子产率!

图1. A溶剂蒸发法(SEMD)实现简单的基底脱离过程示意图;B单层WSe2在SEMD处理前后光致发光(PL)谱的性质变化对比图;C-G单层WSe2在SEMD过程中原位PL成像图;H基体脱离前后样品的衍射斑点叠加图;I SEMD过程中影响形成单层WSe2的因素。

本文提到的溶剂蒸发法可以实现简单的基底脱离,这个过程是非常简单的如图1A,滴一滴具有高蒸汽压的溶剂(如丙酮)在单层WSe2上。当溶剂蒸发时,表面张力拉住生长的材料并使其与基体脱离。而SEMD的作用是通过光致发光(PL)测试体现出来的,如图1B,通过SEMD作用基底脱离的单层WSe2样品光致发光(PL)谱蓝移了~80 meV(1.57eV -1.65eV),且光致发光的强度前者明显高于后者。而通过SEMD作用后的单层WSe2样品PL峰位置与未经过拉伸CVD法及微机械剥离法得到的样品PL峰位置很接近,这进一步佐证了本实验中获得了完全脱离基底的单层WSe2。之后通过原位PL成像进一步研究SEMD机理,如图1C-G,该过程采用以1.65eV为中心的带通滤波器进行成像,可以阻断基体在双轴拉伸应变生长过程中的发射。图1C和D滴加溶剂前体材 WSe2基本没有发光峰。当溶剂从基底蒸发开始时,可以看到在原子层薄膜的边缘部分开始在1.65eV处有明显的发光峰(图1E),一旦溶剂完全蒸发(图1F-G)发射谱在整个样品区域变得均匀。整个原位过程明显的表明了,溶剂蒸发使得原子层逐渐与基底脱离,而且这个过程是从单层的边缘开始的,随着溶剂的蒸发,整个过程保持稳定状态,一直到整个样品区域都脱离基底。溶剂蒸发法同样适用于其他材料的基底脱离,而且本文同样实验了其他蒸发溶剂实现简单的基底脱离,得到了相似的结果。图1H展示了单层WSe2在基底脱离前后电子衍射斑点重叠图,在脱离后约有~1.54±0.05%的拉升应变得以释放。这一应变值与研究者之前类似条件下得到的研究结果一致,证明了结果的准确性。而且,从剥离的样品计算得到的晶格常数与基底脱离得到的单层WSe2样品晶格常数相匹配,也证明了脱离后应变也得到释放。单层WSe2在基底上脱离过程如图1I所示,主要是从薄膜的边缘开始发生脱离,主要存在的3个界面能分别是,γliq/air, γliq/WSe2, γWSe2,只有当单层膜从三相交点处轻微的从基底脱离开始,所有的力才能得到平衡。而且实验发现,一旦三相点通过一定的区域,薄膜将重新粘附在基底上,因此对于较大的薄膜,一次通过三相点可能不足以完全释放应变,需要通过多次才可以实现。

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图2 不同制备条件下单层WSe2的光致发光(PL)谱对比统计图

本文同时考察了卤化物促进剂添加量对于光致发光的影响,如图2A所示。当质量比KBr:WO3=2:1是,经过SEMD之后的单层WSe2样品的PL平均值相对于KBr:WO3=1:2时低一个数量级。据此本文实验数据都采用是KBr:WO3=1:2时制备的样品。与此同时,本文也考察了不同制备条件下单层WSe2样品(剥离法、有无经过SEMD处理)的PL统计图,如图2B-C,经过综合对比发现,剥离法制备的单层WSe2样品和经过SEMD处理的样品发光峰位置没有明显的差别,而没有经过SEMD处理的样品由于拉伸应变的影响发光峰明显红移了~80meV。没有经过SEMD处理的样品光致发光量子产率(1.4%)略微低于剥离法制备的样品(3.1%),而经过SEMD处理单层WSe2光致发光量子产率平均值为31.2%,60%的量子产率,是目前光致发光量子产率最高的,突破了单层WSe2最高纪录。

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图3 不同制备条件下单层WSe2的光学特征图

不同制备方法得到的样品光量子产率和激发光强度之间的关系如图3A,通过图可以清晰的看出,经过SEMD处理后的单层WSe2样品的光量子产率大约比其他样品高大约6个数量级。时间分辨的光致发光(TRPL)的测量,即光致发光(PL)寿命,可以用来研究单层WSe2样品中激子复合的动态过程。在本实验中同样研究比较具有代表性的三种类型的单层WSe2样品,如图3B,显而易见的是,经过SEMD之后的样品(4.1ns)的光致发光(PL)寿命比其他两种类型样品(1或者sub-1ns)更长。同时,对三种材料的吸收光谱也进行了对比分析,如图3C。除了经过SEMD处理后的单层WSe2样品和剥离法的样品A和B共振峰位有些许移动,C共振峰没有发生变化。

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图4 A-B生长不同时间在石英玻璃上单层WSe2样品光学显微照片图;C生长在石英玻璃上单层WSe2样品光学照片;D在石英玻璃上生长单层WSe2样品过程示意图;E-F经SEMD处理前后单层WSe2样品宏观PL对比图;G-H 经SEMD处理前后单层WSe2样品光学照片。

图4A和B分别表示的是在石英玻璃上生长时间长短得到的单层WSe2样品显微图,A是生长20分钟,B是45min。通过入射功率密度为0.2Wcm-2的蓝光LED激发光激发单层WSe2样品得到如图4E-F的微观PL对比图。对比可以明显的发现,经过SEMD处理后的单层WSe2样品的PL图更为均匀明亮。同样的现象在图4G-H中可以观察到。

 

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总结及展望

Science Advances:勇创60%最高纪录!CVD制备单层WSe2材料实现高光致发光量子产率!

本研究意在向读者展示一种制备具有高光量子效率的单层WSe2样品的制备方法。该方法改进单层WSe2样品的生长条件,包括调控卤化物促进剂的比例,引入溶剂蒸发法实现简单的基底脱离等。得到的单层WSe2样品光量子产率高达60%,相对于目前其他方法制备的单层WSe2纳米材料,包括机械剥离法,是目前光致发光量子产率最高的,突破了单层WSe2最高纪录。本文展望,未来适当的调节材料加工过程,通过大面积直接生长即可以获得具有高光量子效率的TMDC单层膜材料,当然这仍需要各界科学家共同努力。

文献链接:

Synthetic WSe2 monolayers with high photoluminescence quantum yield (Science Advances, 2019, DOI: 10.1126/sciadv.aau4728) ; 

原文链接:

http://advances.sciencemag.org/content/5/1/eaau4728.full

供稿丨深圳市清新电源研究院

部门丨媒体信息中心科技情报部

撰稿人丨冯小北

主编丨张哲旭


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本文由清新电源原创,作者冯小北,转载请申请并注明出处:http://www.sztspi.com/archives/173640.html

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