光致電荷分離顯著影響橫向 MoS
2−石墨烯結(jié)的光電性能。通常，絕熱機(jī)制控制化學(xué)結(jié)合界面處的電子轉(zhuǎn)移 (ET)。與直覺相反，我們使用非絕熱(NA)分子動(dòng)力學(xué)證明了NA機(jī)制在橫向MoS
2-石墨烯共價(jià)連接中支配著從MoS
2到石墨烯的電子轉(zhuǎn)移。由界面處形成的內(nèi)置電場(chǎng)引起的異常電子轉(zhuǎn)移機(jī)制通過驅(qū)動(dòng)電子和空穴向相反方向移動(dòng)來減少供體--受體相互作用。 在石墨烯和MoS
2振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)下，MoS2上的光激發(fā)電子在200fs內(nèi)通過NA機(jī)制快速轉(zhuǎn)移到石墨烯中，這比電子-聲子能量弛豫速度更快，并確保“熱”電子在冷卻和失去能量之前可以成功提取到熱。該研究建立了對(duì)橫向MoS2-石墨烯結(jié)中復(fù)雜電荷-聲子動(dòng)力學(xué)的機(jī)械理解，這是光電和光伏應(yīng)用的關(guān)鍵。
圖 1. 模擬單元的頂視圖和側(cè)視圖，顯示了 (a)優(yōu)化的幾何形狀（左圖）。 （b）在橫向 MoS2−石墨烯結(jié)的MD模擬期間在300 K（右圖）下的代表性快照。 熱波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致石墨烯片的顯著平面外運(yùn)動(dòng)，從而影響供體-受體相互作用。棕色、黃色和紫色球體分別代表 C、S 和 Mo。
圖 2. (a) PE 電子供體狀態(tài)。 (b)受體狀態(tài)的電荷密度，在0 K時(shí)使用優(yōu)化的幾何形狀計(jì)算。電子供體和受體狀態(tài)幾乎均勻分布在 MoS2 和石墨烯上，反映了弱的供體-受體相互作用。 (c) 電子供體和 (d) 受體狀態(tài)的電荷密度導(dǎo)致在 300 K 時(shí)界面區(qū)域的輕微離域，使用圖 1b 中所示的幾何形狀計(jì)算。
圖 3. (a) PE態(tài)（粗黑線）和石墨烯的能量演化以及MoS
2導(dǎo)帶態(tài)（細(xì)灰線）。 (b)在MoS
2 上PE態(tài)定位的演化。通過對(duì)每個(gè)量的自相關(guān)函數(shù)執(zhí)行傅立葉變換 (FT)， (c) PE狀態(tài)能量和 (d) 定位的光譜密度。 (c)中高于 800 cm
-1 的峰放大了 100 倍。
圖 4. (a) 光致ET和弛豫過程示意圖。光子吸收將電子從 MoS
2 的VB內(nèi)的基態(tài)驅(qū)動(dòng)到位于MoS
2 CB內(nèi)的激發(fā)態(tài)。 然后，PE電子被注入石墨烯CB，與電子-聲子能量弛豫有關(guān)。 (b) 光致ET機(jī)制。 PE電子可以通過過渡態(tài)勢(shì)壘（彎曲的藍(lán)色箭頭）從供體絕熱地注入受體。 或者，注射可以非絕熱進(jìn)行，在供體和受體狀態(tài)之間跳躍（向下的紅色箭頭）。 光激發(fā)可以促進(jìn)電子從供體基態(tài)直接轉(zhuǎn)移到受體激發(fā)態(tài)（向上的綠色箭頭）。 (c) 平均 ET 動(dòng)力學(xué)。 黑色實(shí)線、藍(lán)色虛線和紅色虛線分別代表總、絕熱和 NA ET。 空心圓圈是具有圖中所示時(shí)間尺度的擬合數(shù)據(jù)。 由于供體-受體耦合較弱，NA機(jī)制在ET事件中占主導(dǎo)地位。 (d) PE狀態(tài)能量的衰減。 能量弛豫比ET慢，表明PE電子可以在冷卻到帶邊緣之前被石墨烯成功提取。
相關(guān)科研成果由北京師范大學(xué)Xiaoli Wang和Run Long等人于2021發(fā)表在The Journal of Physical Chemistry Letters（https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.1c02169）上。原文：Photoinduced Anomalous Electron Transfer Dynamics at a Lateral MoS
2–Graphene Covalent Junction。
轉(zhuǎn)自《石墨烯雜志》公眾號(hào)
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