二维过渡金属硫族化合物/量子点复合结构能量转移行为及调制

The non-radiative energy transfer between two-dimensional (2D) semiconductors and quantum dots (QDs) can benefit the light absorption of 2D materials and modulate the optical properties of nano-emitter, which is crucial for developing high efficient optoelectronic devices and quantum emitter. Transition metal dichalcogenides (TMDs) present unique optical properties, which can be tuned via applying strain and external electric field. Thus, TMDs/QDs hybrid architecture is considered as an ideal platform for tuning the energy transfer process between 2D TMDs and zero-dimensional QDs. In the present proposal, TMDs/QDs hybrid architectures will be constructed. The optical properties and electronic structure of TMDs will be modulated via applying strain and electric field, meanwhile, the dipole-dipole interaction between TMDs and QDs will be altered through changing its dielectric environment. The energy transfer process between TMDs and QDs, such as energy transfer rate and efficiency, will be investigated by means of photoluminescence spectroscopy, absorption spectroscopy and time-resolved photoluminescence spectroscopy, and the effects of energy transfer on optical properties of quantum dots will be also studied. Based on above work, the correlation between the optical properties or electronic structure, dielectric screening effect and energy transfer process are to be explored for developing high performance TMDs based optoelectronic device.

二维半导体材料与量子点(QDs)纳米发射体之间的非辐射能量转移行为能够增强二维材料光吸收能力，调节纳米发射体光学特性，对开发新型高效的二维光电器件以及量子发射体具有重要意义。过渡金属硫族化合物(TMDs)具有独特的光学特性，并且其光学特性可以通过施加应变和外电场等手段进行调控，因此TMDs/QDs体系是研究二维半导体/零维量子点复合结构能量转移行为的理想体系。本项目以TMDs/QDs复合结构为研究对象，通过施加电场、应变调节TMDs的光学特性和电子结构，以及改变介电环境来调节TMDs偶极矩介电屏蔽效应，利用光致发光光谱、吸收光谱及时间分辨光致发光光谱研究TMDs/QDs体系的能量转移行为(能量转移速率及效率等)，分析能量转移行为对量子点光学特性的影响机制。通过以上目标的实现，建立TMDs光学特性或电子结构、介电屏蔽效应与能量转移过程之间的内在关联，为开发高性能TMDs光电器件奠定基础。

由二维半导体与零维量子点(QDs)、一维纳米线、二维材料组成的范德华异质结构在光学与光电器件领域具有重要的应用，如光电探测、发光二极管、太阳能电池等，其中，范德华界面处的电荷转移与能量转移过程对器件性能起到至关重要的影响。在本项目中，我们以二维半导体异质结构（如WS2/QDs、ReS2/分子、InSe/MoS2、InSe/WSe2等）为研究对象，利用光谱技术（拉曼光谱、吸收光谱、光致发光谱与时间分辨光致发光谱）、扫描探针显微技术、电学与光电测量（光电流与扫描光电流显微镜）等手段揭示了异质结构界面处的电荷转移与能量转移过程，并利用电场、应变、介电环境等手段对该过程进行了调控。具体研究结果如下：构筑了WS2/QDs、ReS2/QDs异质结构，证实了异质结构荧光猝灭与界面处电荷转移相关联；通过测量器件的光电性质发现，量子点的引入大大提升了器件的光电探测性能，并拓宽了其光响应范围。构筑了ReSe/分子异质结构，发现了具有低对称性的1T’相ReS2二维材料的表面增强拉曼效应具有层数依赖关系，对于染料分子罗丹明6G和亚甲基蓝，在单层ReS2基底表面的检测浓度可低至10^-9M；通过引入Al2O3介电层，从空间上阻断了ReS2与染料分子之间电荷转移，实验上拉曼增强效应的改变证实了荧光分子与ReS2材料之间的电荷转移对拉曼信号的增强具有决定性作用。构筑了单层MoS2/InSe第一类异质结，利用界面处单层MoS2中光生载流子向InSe转移，显著提升了InSe中光生载流子的浓度，进而使得InSe的发光强度增强了2.5倍；此外，通过栅极静电场、单轴应变及能带工程等手段改变InSe/MoS2界面处的能带排列，显著调制了InSe的光学特性及MoS2/InSe界面处的光生电荷转移效率。最后，构筑了InSe/WSe2异质结构，利用界面处的电荷转移成功实现了WSe2极性的转变，并实现了基于WSe2的平面同质结(如p-n结，n-n+结)，并用于整流器件、光伏器件及光电探测等。.在Progress in Materials Science, Advanced Materials, Small等期刊发表SCI收录论文14篇；培养博士生2人，硕士生3人；项目负责人入选2019年国家“万人计划”青年拔尖人才。