客户成就 | 北京交通大学Nano Research：揭示了PtSe₂MoSe₂异质结的本征光电特性
研究背景
二维过渡金属二硫化物（TMDCs）因其独特的电学和光学特性，在集成光子学中展现出广阔的应用前景，其光谱响应范围覆盖可见光至太赫兹波段。然而，传统基于MoS₂、MoSe₂、WS₂和WSe₂的范德瓦尔斯异质结受限于低载流子迁移率和窄光谱响应，难以满足高性能光电器件的需求。
近年来，PtSe₂作为新型二维材料备受关注，其载流子迁移率高、厚度依赖的带隙可调（从间接带隙到半金属特性），并具有独特的自旋电子学性质。而MoSe₂凭借窄直接带隙（1.55 eV）、高载流子迁移率及优异的光吸收能力，成为光电器件的理想候选材料。通过构建PtSe₂/MoSe₂异质结，可协同两者的优势，实现宽光谱吸收、高效载流子输运及快速电荷转移，为光探测、神经形态计算等应用提供新思路。
图1 (a) PtSe₂/MoSe₂异质结的晶体结构示意图。(b) PtSe₂/MoSe₂异质结的原子力显微镜图像，比例尺为 5 微米。(c) 分别为MoSe₂、薄PtSe₂、厚PtSe₂、薄PtSe₂/MoSe₂异质结和厚PtSe₂/MoSe₂异质结的拉曼光谱。(d) 分别为MoSe₂、薄PtSe₂/MoSe₂异质结和厚PtSe₂/MoSe₂异质结的归一化光致发光光谱。
研究成果
北京交通大学王永生教授团队与北京大学合作者合作在Nano Research期刊上发表名为Enhanced exciton diffusion from interlayer charge-transfer transitions inPtSe₂/MoSe₂van der Waals heterojunction的研究论文。在该研究中，采用稳态、瞬态吸收光谱和扫描探针显微技术，系统地揭示了PtSe₂/MoSe₂异质结的本征光电特性，发现其具有超快电荷转移（~0.8 ps）、长载流子寿命（~38.2 ps），以及高达756.8 cm²·V⁻¹·s⁻¹的激子迁移率，这些性能提升归因于n型肖特基结内建电场对光生载流子转移的促进作用。
图2 (a) 分别为 MoSe₂、PtSe₂和PtSe₂/MoSe₂异质结的吸收光谱。(b) 由PtSe₂/MoSe₂异质结的归一化吸收光谱减去PtSe₂和PtSe₂的归一化吸收光谱的差分吸收光谱。
图3(a)在PtSe₂中测量获得的振荡差分反射信号示例图。(b)分别为单层MoSe₂、薄PtSe₂和薄PtSe₂/MoSe₂异质结的差分反射信号的时间演变。(c)分别为单层MoSe₂、薄PtSe₂和薄PtSe₂/MoSe₂异质结的差分反射信号的上升时间。(d)MoSe₂、薄PtSe₂和薄PtSe₂/MoSe₂差分反射信号的峰值强度分别与泵功率的函数关系。
图2利用谱光慧联Excipolar Trion共焦显微多维光谱系统表征了MoSe₂、PtSe₂及其异质结的光学吸收特性。图2(a)显示，单层MoSe₂在~470 nm（C激子）、~690 nm（B激子）和~790 nm（A激子）处呈现典型的激子吸收峰，而多层PtSe₂表现出宽谱吸收特性，尤其在850 nm处出现吸收峰。异质结的吸收谱结合了两者的特征，既保留了MoSe₂的激子吸收峰，也继承了PtSe₂的宽谱响应。图2(b)通过差分吸收光谱（即异质结吸收谱减去单独材料的吸收谱的加和）进一步揭示，PtSe₂/MoSe₂异质结在PtSe₂和MoSe₂吸收峰处附近的选择性增强，并且异质结中的MoSe₂的A和B激子峰出现展宽和略微移动，表明其具有显著的宽光谱响应性。
该结果了有效的确认了单层MoSe₂的直接带隙激子特征和多层PtSe₂的厚度依赖带隙特性，凸显了PtSe₂/MoSe₂异质结卓越的宽光谱响应性，同时也直接的指导了泵脉冲395 nm和探测脉冲790 nm的波长选择。其中，差分吸收光谱的展现为后续MoSe₂向PtSe₂的超快电荷转移（0.8 ps）的发现提供了必要的光学证据。
图4(a)、(d)和(g)分别为单层MoSe₂、薄PtSe₂和薄PtSe₂/MoSe₂的差分反射率与探测延迟时间和探测位置的函数关系。(b)、(e)和(h)分别为单层MoSe₂、薄PtSe₂和薄PtSe₂/MoSe₂在不同探测延迟时间下的信号空间分布示例图。曲线是对数据的高斯拟合。(c)、(f)和(i)分别为单层MoSe₂、薄PtSe₂和薄PtSe₂/MoSe₂的曲线平方宽度展宽与探测延迟时间的函数关系。
仪器介绍
光学吸收光谱不仅是材料表征的基础工具，更能揭示材料的的优越性及其相关的物理机制。谱光慧联Excipolar Trion在此工作中提供的高分辨率，高灵敏度的显微吸收光谱测量，对于在微纳米尺度下表征并分析材料的光电性质提供了丰富的结果，助力研究者在微观层面更加深入的理解材料性质。
另外，在本工作中，我们可以看到，瞬态吸收光谱的应用对揭示PtSe₂/MoSe₂异质结中超快载流子动力学起到了极大的帮助，为其在光探测、神经形态计算等方面的应用发展提供了新思路。而多维光谱关联表征是Excipolar Trion的独特功能之一。其通过创新的光学设计和集成，通过同一套显微系统，能够针对材料的同一位置，实现稳态吸收光谱和瞬态吸收光谱的原位关联检测，从而获得更加确定的，多维度的材料性质。
文章引用
Wang,J.,He,D.,Bai,Z.et al.Enhanced exciton diffusion from interlayer charge-transfer transitions inPtSe₂/MoSe₂van der Waals heterojunction.Nano Res.16,12809–12816(2023).https://doi.org/10.1007/s12274-023-6195-8
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