边界极性调控TMDCs纳米材料激子跃迁的微观机理研究

Transition metal chalcogenide (TMDCs) nanomaterials inevitably encounter various edges during fabrication and device integration, and the electronic structures of the edges have a crucial effect on the material properties and overall device performance. The edge polarity caused by structure symmetry difference plays an important role in excitonic transitions: the luminescent intensity is significantly enhanced at the zigzag polar edge of the nanosheets, whereas its counterpart at the armchair nonpolar edge is very weak. However, the underlying physical mechanism has not yet been effectively revealed. Meanwhile, zigzag/armchair edge polarities also have an impact on the excitonic transitions in TMDC heterojunctions but receive little attention. In this project, we will start from the edge symmetry, systematically study the relationship between edge configurations, polarities and excitonic transitions in TMDC nanosheets by first-principles method, then clarify the physical reason for localized excitonic luminescence at the zigzag polar edge, reveal the evolution of edge polarity-induced excitonic transitions in TMDC heterojunctions. On the basis of these results, we will form a new idea for the control of excitonic transition characteristics in low-dimensional nanomaterials via the edge configuration and polarity distribution, thus provide theoretical support for the design of novel nano-optoelectronic devices with specific functional edges.

过渡金属硫族化物（TMDCs）纳米材料在制备和器件集成时不可避免地会遇到各种边界，而边界的电子结构特点对材料性质乃至器件整体性能都具有极为重要的影响。边界由于结构对称性差异而引发的极性，在激子发光方面扮演着重要角色：跃迁出光在纳米片极性zigzag边界显著增强，非极性armchair边界却很弱。然而，其背后的深层物理机制仍未得到有效揭示。同时，边界极性在异质结激子跃迁过程中亦发挥着重要作用，但并没有得到足够重视。本项目将从边界结构对称性出发，采用第一性原理方法，系统研究TMDCs纳米片的边界构型、极性以及激子跃迁之间的依赖关系，澄清跃迁发光在zigzag极性边界局部增强的物理原因，阐明边界极性诱导异质结激子跃迁的演化过程。在此基础上，形成一套基于边界构型和极性分布调控低维纳米材料激子跃迁特性的新思路，为设计具有特定功能化边界的新型纳米光电器件提供理论支持。

材料边界和界面附近的局域微结构对其电子结构、光电性质、外延生长、应变响应等具有重要影响，我们聚焦边界和界面微结构开展研究，通过在TMDs层间插入阳离子八面体局域结构实现了本征手性注入并发现了手性关联的双沙漏费米子，对Science发布的全世界最前沿的125个科学问题之“手性的起源”这一问题提出了新的认识；三角形TMDs的zigzag边界Mo-S二聚体局域微结构会在边界引入s-p杂化波函数跃迁模式并显著增强跃迁发光；发现了一种新型的亚铁手性半导体NaCu5S3以及D-1B Dresselhaus自旋电子态，其左右手性相以及自旋翻转势垒非常低；揭示了石墨炔表面吸附H和OH会形成面外和面内两种微结构畸变，并实现对其光电响应的调制；证实了Te@Bi混合异质结界面产生的plasma和Te@Se异质结界面组分调控可以增强异质结光跃迁响应的现象；发现了IV-VI族GeSe，SnSe等二维材料中隐藏的赝相变效应，随着阴阳离子局域微结构的交替翻转可以实现太赫兹波段的吸收；揭示了二维Sb2O3无机分子晶体的形成机制和多个相之间的电子结构差异；澄清了二维室温铁电材料Cd7Te7Cl8O17、各向异性二维CaTe2O5、PbSnS2、InI纳米片、非层状二维CdS和Ge的生长机理；对当下二维铁磁的研究进行了总结和展望；提出了共价阳离子取代在保持Na3Bi狄拉克半金属性质的同时，增强其稳定性的方案；发现了Te基光电器件中的负微分电导并通过应力实现了对其调控，以及OH吸附对Te器件光电响应的显著增强现象。这些成果阐明了当下低维半导体材料中令人困惑的现象及其背后的物理机制，提出了较为通用的分析二维结构生长机理的物理图像，预言了一些新现象、新效应以及新材料，对自然科学领域最前沿的科学问题提出了新颖的认识和看法。