二维层状纳米材料在太赫兹波段的超快载流子特性及调控研究

Two-dimentional layered nanomaterials such as graphene and molybdenum disulfide show potential applications in terahertz(THz) ultrafast optoelectronics.Ultrafast carrier dynamics in the two-dimensional layered materials play an important role in the ultrafast devices. The interaction between THz waves and the above two materials has an influence to the amplitude and polarization of THz waves, which is the foundation of THz ultrafast functional devices.In this project, we intend to understand the dynamics of the photogenerated and valley polarized carrier injection, relaxation, and interaction characteristics in the inter-layers and intra-layers in two-dimensional materials by THz ultrafast spectroscopy. We also intend to regulate the material properties and to know the influence to the carrier dynamics by the chemical and physical engineering. Furthermore, we want to understand the response of THz wave amplitude and polarization to the physical and chemical property change of the two-dimensional nanomaterials and to elucidate the regulation mechanism of carrier dynamics in two-dimensional nanomaterials. Relevant results from experiments can afford a better understanding of the basic physical processes and the influencing factors to the dynamic evolution of the carriers in two-dimensional materials.The output from this project could provide theoretical support for device applications with the two-dimensional layered materials in THz region.

石墨烯和二硫化钼等二维层状纳米材料,在太赫兹超快光电子器件方面具有广阔的应用前景。对二维层状纳米材料超快载流子特性的研究是使器件走向实用化的核心。二维层状纳米材料中的超快载流子与太赫兹波相互作用会对太赫兹波振幅、偏振等产生影响,这是发展太赫兹超快功能器件的基础。本项目拟采用新型太赫兹超快光谱技术进行如下研究(1)二维层状纳米材料中光生载流子和谷极化载流子的注入、驰豫特性，二维层状材料层内、层间的动力学特性，载流子之间相互作用的规律。（2）通过物理及化学方法调控材料物性，明确其关键物性对于太赫兹波振幅、偏振等物理量的响应规律，阐明它们对二维层状纳米材料载流子动力学的调控机制。本项目的研究结果将从理论和实验上加深对二维层状纳米材料载流子动力学特性及其物理规律的认识，为构建二维层状纳米材料在太赫兹波段的关键器件提供理论依据。

石墨烯和二硫化钼等二维层状纳米材料在太赫兹超快光电子器件方面具有广阔的应用前景。对二维层状纳米材料超快载流子特性的研究是使器件走向实用化的核心。二维层状纳米材料中的超快载流子与太赫兹波相互作用会对太赫兹波振幅、偏振等产生影响，这是发展太赫兹超快功能器件的基础。项目以石墨烯和二硫化钼等为典型二维纳米材料，以其在太赫兹波段的超快载流子特性及调控作为主要研究内容，经过四年的努力，通过气相沉积、液相剥离等方法制备了大面积二维层状纳米材料，并发展了复合薄膜及异质结制备方法，通过物理及化学方法完成了对材料的物性的调控。自主搭建了太赫兹时域光谱、可见光泵浦-太赫兹探测超快光谱和太赫兹发射光谱系统，开发了基于太赫兹时域光谱、超快光谱的光学参数提取方法和基于时域有限差分方法的模拟算法，研究了二维层状纳米材料中的光生超快载流子注入、驰豫特性及载流子之间相互作用规律，研究了材料在光、电外场作用下对太赫兹波振幅、相位、偏振等的调制作用，发展了基于二维材料的太赫兹波段抗反射器件、调制器件、发射器件、开关器件等。这些研究成果将从理论和实验上加深对二维纳米材料载流子动力学特性及其物理规律的认识，为构建二维纳米材料在太赫兹波段的关键器件提供理论依据。. 项目实施过程中获广西省自然科学二等奖1次，发表标注基金项目资助号的SCI论文有35篇，其中一区论文8篇，二区论文17篇，申请国家发明专利3项，2项授权，应邀为WILEY-VCH Verlag出版社撰写书目章节1篇，做国内外学术会议口头报告、邀请报告30次，邀请国内外专家到校访问和指导14次，与国内外同行进行了深入的学术交流。项目培养毕业研究生6人，其中1人获陕西省优秀博士学位论文，2人获国家奖学金，1人获得西北大学紫藤奖（全校一年本硕博毕业生仅有三人获得）。