超快载流子动力学与（PEA）2PbI/4/MoS2异质结构中的能量转移和空穴转移相关

飞秒瞬态吸收光谱研究表明（PEA）2PbI4/MoS2范德华异质结中同时存在空穴转移（速率2×1011 s-1）和能量转移，电子转移因有机层带隙受阻。

　　

孟雪|郑书文|周中波|宋健|焦照勇|马淑红|贾光瑞|秦朝朝

中国河南省光电技术与先进制造工程研究中心，河南师范大学物理学院，新乡市，453007

摘要

基于二维（2D）过渡金属硫属化合物（TMDs）和钙钛矿的范德华异质结构的出现，为高性能光电探测器、发光二极管和其他光电器件的研究提供了良好的基础。本研究重点关注由二维钙钛矿（PEA）₂PbI₄和单层MoS₂形成的异质结构。通过在不同激发波长下使用飞秒瞬态吸收光谱获得了该异质结构的界面传输行为。研究结果表明，在（PEA）₂PbI₄/MoS₂异质结构中同时存在空穴传输和能量传输。空穴传输的速率常数为2×10¹¹ s^-1。然而，由于（PEA）₂PbI₄的有机间隔层具有较大的带隙，直接电子传输过程被阻断了。这一发现为深入探索其在光电器件领域的潜在应用提供了参考。

引言

二维（2D）半导体因其独特的电子、光学和量子限制特性，已成为下一代光电子和能量转换器件的变革性材料。其中，2D过渡金属硫属化合物（TMDs）表现出依赖于层的带隙和显著的电荷传输特性，使其成为光检测、催化和柔性电子学的理想选择[1]。同时，它们表面没有悬挂键，因此在形成异质结构时不需要晶格匹配，这可以大大提高界面质量[2]，[3]。

2D RP钙钛矿是一类具有量子阱结构的层状材料，其结构式为A₂B_n-1M_nX_3n-1。A是作为间隔层的大体积有机阳离子（如PEA⁺、BA⁺），用于分隔无机框架；B是位于无机层内的小阳离子（如MA⁺、FA⁺）；M是金属阳离子（Pb²⁺、Sn²⁺）；X是卤素离子（I^-、Br^-、Cl^-）；n是无机层的厚度（n=1, 2, 3...），决定了钙钛矿量子阱的宽度[4]。2D RP钙钛矿的无机层是由角共享的[MX₆]^4-八面体组成的二维平面，这些八面体通过有机间隔层隔开，相邻层之间通过弱的范德华力结合[5]。2D RP钙钛矿具有高光致发光量子产率和可调带隙等特性[6]，[7]，这使得它们在光电器件和太阳能电池的研究中具有重要意义[8]，[9]，[10]。

将TMDs与2D钙钛矿集成到范德华异质结构中，为工程化新型光物理现象和器件功能提供了强大的平台[11]，[12]，[13]，[14]。例如，Chen等人观察到，由手性二维钙钛矿与WSe₂组成的异质结构表现出强烈的层间激子发射[15]。Wang等人发现，由WS₂/PEPI异质结构组成的光电探测器器件相比单层WS₂的光响应性提高了5倍[16]。Luo等人研究了单层WS₂/CsPbBr₃范德华异质结构在双光子激发下的暗态非线性能量传输机制，发现这种异质结构可以显著提高单层WS₂

在这里，我们通过瞬态吸收光谱研究了由（PEA）₂PbI₄和单层MoS₂组成的异质结构中的超快动态过程。首先使用光致发光光谱和时间分辨光致发光光谱对样品进行了表征。在异质结构中，（PEA）₂PbI₄和MoS₂的光致发光强度都减弱了。这些结果表明异质结构中可能发生了空穴传输和能量传输。当在异质结构中同时激发MoS₂和（PEA）₂PbI₄时，检测到了这些过程。然后我们使用长波长激发光选择性地激发异质结构中的MoS₂，并获得了飞秒瞬态吸收光谱。结果表明，异质结构中MoS₂的激子寿命比单层MoS₂中的衰减得更快。基于相关文献的分析，我们提出空穴从MoS₂传输到钙钛矿中。随后，当在异质结构中施加510 nm的激发光时，未观察到电子传输，这进一步支持了异质结构中存在能量传输。总体而言，通过选择性地激发异质结构，我们进一步确认了异质结构中确实存在空穴传输和能量传输过程。这项研究有助于我们理解（PEA）₂PbI₄/MoS₂异质结构界面的超快激子动力学。

结果

制备的异质结构如图1a所示。该异质结构是通过在蓝宝石基底上旋涂（PEA）₂PbI₄并堆叠在单层MoS₂上形成的。图1b显示了异质结构和孤立单层MoS₂的拉曼光谱。从图中可以观察到，孤立单层MoS₂的拉曼共振峰分别位于384 cm^-1和403 cm^-1，对应于面内振动（E^{1_2g）和面外振动（A_1g）。416 cm-1处的峰是...}

结论

总之，我们利用稳态和超快光谱技术全面研究了垂直堆叠的（PEA）₂PbI₄/MoS₂范德华异质结构中的界面载流子动态。稳态和时间分辨光致发光测量表明MoS₂的光致发光显著减弱，钙钛矿的寿命缩短，表明界面相互作用高效。365 nm激发下的超快瞬态吸收光谱直接...

实验部分

样品制备：PEAI和PbI₂从西安宇瑞太阳能有限公司购买。溶剂二甲基亚砜（DMSO，无水，99.999%）从J&K Scientific购买。单层MoS₂薄膜从深圳Six Carbon Inc.购买。（PEA）₂PbI₄前驱体溶液根据化学计量比制备，并在室温下搅拌3小时。（PEA）₂PbI₄/MoS₂异质结构通过旋涂法制备。

CRediT作者贡献声明

周中波：数据管理、资源准备。宋健：资源准备、可视化。郑书文：数据管理、研究、方法论、软件、写作——审稿与编辑。孟雪：概念构思、数据管理、形式分析、研究、方法论、写作——初稿。贾光瑞：概念构思、资源准备。秦朝朝：概念构思、资源准备。焦照勇：研究、方法论。马淑红：方法论、监督

数据可用性

数据可应要求提供。

资助

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：12574286）和河南省高校科技创新人才计划（项目编号：24HASTIT030）的支持。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。