宋宗鵬，朱海鷗，蔣凌峰，阮雙琛

1)深圳市激光工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，先進(jìn)光學(xué)精密制造技術(shù)廣東省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東省微納光機(jī)電工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳大學(xué)光電工程學(xué)院，廣東深圳 518060；2)深圳技術(shù)大學(xué)新材料與新能源學(xué)院，廣東深圳 518118

二維過(guò)渡金屬硫化物具有很大的激子束縛能、較強(qiáng)的庫(kù)侖相互作用以及獨(dú)特的自旋谷能耦合等特性[1]，近年來(lái)引起廣泛研究關(guān)注[2]，過(guò)渡金屬硫化物為研究原子層厚度半導(dǎo)體的基礎(chǔ)性質(zhì)，以及開(kāi)發(fā)其在光電器件方向的應(yīng)用潛力提供很好的機(jī)會(huì)．因此，研究過(guò)渡金屬硫化物被光激發(fā)后的響應(yīng)很重要．二硫化鎢(WS2)因其優(yōu)異的光學(xué)及電學(xué)性質(zhì)，成為眾多過(guò)渡金屬硫化物中最有潛力的材料之一，可用于光電探測(cè)器[3]、存儲(chǔ)設(shè)備[4]、光電器件及晶體管[5-6]等諸多方面．

人們對(duì)二維過(guò)渡金屬硫化物被光激發(fā)后的響應(yīng)，尤其是在光生載流子的特性方面已做了很多研究，如光激發(fā)載流子的壽命[6]、激子與激子之間的相互作用及湮滅過(guò)程[7]、載流子濃度超過(guò)Mott閾值時(shí)的帶隙變化[8-9]等．在眾多光生載流子研究中，泵浦探測(cè)系統(tǒng)是一種有效的實(shí)驗(yàn)工具，然而將其用于分析材料被光激發(fā)后光響應(yīng)變化的原因方面仍有難度，因這些光響應(yīng)的變化在泵浦探測(cè)系統(tǒng)中均表現(xiàn)為對(duì)探測(cè)光吸收強(qiáng)度的變化，而材料光吸收強(qiáng)度的變化大多是由多種機(jī)制共同作用所致，且光生載流子與聲子都可能會(huì)改變材料的光學(xué)性質(zhì)．單層WS2被激發(fā)后光響應(yīng)的變化會(huì)對(duì)其光電器件的性能產(chǎn)生影響，所以了解引發(fā)這些光響應(yīng)變化的原因可為基于單層WS2光電器件的發(fā)展起到指導(dǎo)作用．

本研究利用泵浦探測(cè)系統(tǒng)分析單層WS2中光生載流子動(dòng)力學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)光生載流子具有3個(gè)衰減過(guò)程，分別是激子形成過(guò)程、激子無(wú)輻射復(fù)合過(guò)程(其壽命約為27 ps)及由熱效應(yīng)或是被捕獲電子的復(fù)合過(guò)程導(dǎo)致的百皮秒量級(jí)的衰減信號(hào)．通過(guò)分析不同波長(zhǎng)泵浦光激發(fā)條件下位于613 nm的光致漂白信號(hào)，證實(shí)其中亞皮秒衰減過(guò)程為激子形成過(guò)程．通過(guò)分析單層WS2被激發(fā)后光響應(yīng)的變化，即分析單層WS2被激發(fā)后A激子共振的線寬展寬，漂白以及激子躍遷能的移動(dòng)隨時(shí)間的演化，給出導(dǎo)致單層WS2被激發(fā)后光響應(yīng)變化的主要原因，分別是光生載流子造成的多體相互作用和材料通過(guò)聲子將熱量傳遞給基底的冷卻過(guò)程．

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中使用的單層WS2(6碳科技)由化學(xué)氣相沉積法制備，基底材料為二氧化硅．泵浦探測(cè)系統(tǒng)由飛秒激光器、光參量放大器以及瞬態(tài)吸收光譜系統(tǒng)組成．其中，飛秒激光器為摻鈦藍(lán)寶石自鎖模飛秒激光器，輸出重復(fù)頻率為1 kHz，脈沖寬度為35 fs，中心波長(zhǎng)為800 nm．飛秒激光器輸出光的主要部分進(jìn)入光參量放大器，本實(shí)驗(yàn)中光參量放大器的輸出光設(shè)定為泵浦光，利用斬波器對(duì)泵浦光進(jìn)行斬波；輸出光的一小部分被引入瞬態(tài)吸收光譜系統(tǒng)中，利用藍(lán)寶石晶體產(chǎn)生超連續(xù)白光作為探測(cè)光．通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)整探測(cè)光的光程，實(shí)現(xiàn)探測(cè)光與泵浦光的相對(duì)時(shí)間延遲，實(shí)驗(yàn)中延遲時(shí)間最大可到7 ns．位于樣品后的探測(cè)器將信號(hào)收集并配合鎖相放大器將采集到的信號(hào)進(jìn)行放大．整套泵浦探測(cè)系統(tǒng)的分辨率約為60 fs．

單層過(guò)渡金屬硫化物的厚度為原子量級(jí)，具有很強(qiáng)的量子限域效應(yīng)．同時(shí)單層過(guò)渡金屬硫化物中電子和空穴之間的電場(chǎng)線會(huì)延伸出材料，抑制電場(chǎng)的屏蔽效果，這兩點(diǎn)增強(qiáng)了單層過(guò)渡金屬硫化物中電子和空穴之間的庫(kù)侖引力，使其具有很大的激子束縛能．現(xiàn)有研究表明，過(guò)渡金屬硫化物中激子的束縛能可達(dá)數(shù)百毫電子伏特[10]．室溫下單層WS2中的激子可以穩(wěn)定存在．激子的性質(zhì)決定了材料的光電性能，因此，理解單層WS2的激子行為可為相關(guān)光電器件的發(fā)展提供基礎(chǔ)．實(shí)驗(yàn)選擇A激子為主要研究對(duì)象，所有實(shí)驗(yàn)均在室溫下完成．樣品對(duì)探測(cè)光吸收的變化ΔA為

(1)

其中，I0與Iex分別為泵浦光被斬波器擋住和未被擋住時(shí)探測(cè)到的光強(qiáng)度．

2 結(jié)果與討論

通過(guò)光致發(fā)光譜確定樣品為單層WS2. 由于單層WS2為直接帶隙，而少層以及塊體WS2為間接帶隙，帶隙寬度會(huì)發(fā)生較大變化．使用輸出波長(zhǎng)為488 nm的連續(xù)激光激發(fā)樣品得到光致發(fā)光譜，如圖1，可見(jiàn)，光致發(fā)光峰位置對(duì)應(yīng)單層WS2的A激子共振．較高的發(fā)光強(qiáng)度及光譜形狀進(jìn)一步確認(rèn)了樣品為單層WS2[11]．

圖1 單層WS2樣品的光致發(fā)光譜圖Fig.1 Photoluminescence of the monolayer WS2 sample

在瞬態(tài)吸收光譜實(shí)驗(yàn)中，泵浦光波長(zhǎng)設(shè)定為400 nm，光通量峰值為10 μJ·cm-2，此時(shí)，單層WS2樣品中的光生載流子密度約為3.3×1012cm-2[12]，該載流子密度低于Mott閾值(～1013cm-2)[9]，表明此時(shí)單層WS2中光生載流子將主要以激子的形式存在．由文獻(xiàn)[2]可知，當(dāng)光生載流子密度在9.0×1011～1.3×1013cm-2時(shí)，光生載流子的密度處于一種中間狀態(tài)，即電荷之間的庫(kù)倫相互作用起著重要的作用，但激子仍處于束縛狀態(tài)．

當(dāng)波長(zhǎng)為400 nm的泵浦光入射到單層WS2樣品時(shí)，在A激子的共振波長(zhǎng)附近出現(xiàn)的吸收信號(hào)為負(fù)信號(hào)，表明樣品被泵浦光激發(fā)后，導(dǎo)帶被電子填充導(dǎo)致對(duì)探測(cè)光的吸收減少，即出現(xiàn)光致漂白現(xiàn)象．光致漂白信號(hào)的中心波長(zhǎng)位于613 nm附近．從瞬態(tài)吸收譜中提取了613 nm的瞬態(tài)吸收信號(hào)，如圖2．通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，發(fā)現(xiàn)光生載流子的密度呈三指數(shù)變化，由擬合數(shù)據(jù)推導(dǎo)出3個(gè)時(shí)間常數(shù)分別為τ1=(0.69±0.04) ps、τ2=(26.97±1.18) ps及τ3=(678.1±135.0) ps．

圖2 單層WS2的瞬態(tài)吸收信號(hào)Fig.2 Transient absorption signal of monolayer WS2 sample

第1個(gè)時(shí)間常數(shù)τ1=(0.69±0.04) ps，可被歸結(jié)為激子形成的相關(guān)過(guò)程，當(dāng)單層WS2中的電子被泵浦光激發(fā)后，電子由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，自由的電子空穴對(duì)在冷卻后因?yàn)閹?kù)倫引力作用結(jié)合在一起形成激子．此時(shí)光致漂白信號(hào)強(qiáng)度的減弱可歸結(jié)為自由電子空穴對(duì)快速轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぷ樱捎诩ぷ訉?duì)外呈電中性，無(wú)法像自由載流子一樣通過(guò)屏蔽效應(yīng)增強(qiáng)光致漂白信號(hào)，所以自由電子空穴對(duì)與呈電中性的激子相比能更有效地改變光致漂白信號(hào)強(qiáng)度[13]．

第2個(gè)時(shí)間常數(shù)為τ2=(26.97±1.18) ps，因?yàn)檫^(guò)渡金屬硫化物中光生載流子的輻射復(fù)合過(guò)程一般為納秒量級(jí)[14]，可將輻射復(fù)合過(guò)程排除．所以，在第2個(gè)時(shí)間常數(shù)內(nèi)激子的衰減方式為無(wú)輻射復(fù)合過(guò)程，當(dāng)激子密度大于(8.0±0.6)×1010cm-2時(shí)，激子的無(wú)輻射復(fù)合過(guò)程為俄歇式激子-激子湮滅[14]，即被束縛的電子空穴對(duì)發(fā)生復(fù)合，同時(shí)將能量傳遞給第2個(gè)被束縛的電子空穴對(duì)，第2個(gè)被束縛的電子空穴對(duì)被激發(fā)后會(huì)躍遷到更高能級(jí)隨后迅速弛豫到能帶邊緣，這一過(guò)程中第2個(gè)被束縛的電子空穴對(duì)通過(guò)聲子釋放多余能量．因此，第2個(gè)時(shí)間常數(shù)代表了單層WS2中激子的壽命．文獻(xiàn)報(bào)道的有關(guān)單層WS2中激子的壽命一般在幾皮秒到幾十皮秒之間[12,16]，與實(shí)驗(yàn)值相符．

第3個(gè)時(shí)間常數(shù)τ3=(678.1±135.0) ps，可以歸結(jié)為熱效應(yīng)或被捕獲電子的復(fù)合過(guò)程[2,14]，也可能兩種機(jī)制同時(shí)存在[17]．其中，熱效應(yīng)指激子復(fù)合后釋放能量導(dǎo)致的晶格熱化，熱化后的晶格將熱量通過(guò)聲子傳遞到基底．而被捕獲電子的復(fù)合過(guò)程是指被表面態(tài)捕獲電子的復(fù)合過(guò)程．但無(wú)論是哪種衰減機(jī)制，τ3并不影響對(duì)單層WS2中激子壽命的測(cè)量．

為進(jìn)一步確定亞皮秒的衰減過(guò)程為自由電子空穴對(duì)冷卻后結(jié)合形成激子的過(guò)程，將泵浦光的中心波長(zhǎng)分別設(shè)定為590 nm、580 nm及570 nm，此時(shí)泵浦光的光子能量均大于WS2價(jià)帶中電子躍遷到導(dǎo)帶所需要的能量．為更好地進(jìn)行對(duì)比，分別從不同波長(zhǎng)泵浦光激發(fā)下得到的瞬態(tài)吸收譜中，提取探測(cè)光波長(zhǎng)為613 nm的瞬態(tài)吸收信號(hào)，并進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果如圖3．可見(jiàn)，在泵浦光中心波長(zhǎng)為590 nm時(shí)，樣品的光致漂白信號(hào)呈現(xiàn)單指數(shù)衰減，代表激子形成的亞皮秒衰減過(guò)程基本無(wú)法分辨．當(dāng)泵浦光波長(zhǎng)變?yōu)?80 nm和570 nm時(shí)，隨泵浦光光子能量增加，電子將躍遷到導(dǎo)帶中的更高能級(jí)，在自由的電子空穴對(duì)冷卻后，將在庫(kù)倫引力的作用下結(jié)合形成激子．樣品的光致漂白信號(hào)在圖3中呈現(xiàn)明顯的雙指數(shù)衰減，激子形成所代表的亞皮秒衰減過(guò)程可在圖中清楚分辨．這一現(xiàn)象進(jìn)一步證實(shí)亞皮秒的衰減過(guò)程為激子的形成過(guò)程．

圖3 單層WS2在不同波長(zhǎng)泵浦光激發(fā)下的歸一化的瞬態(tài)吸收信號(hào)Fig.3 The normalized transient absorption signals of monolayer WS2 sample with different pump pulses

可見(jiàn)，光生載流子的整個(gè)動(dòng)力學(xué)過(guò)程可描述為：① 樣品被泵浦光激發(fā)后，價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，價(jià)帶中產(chǎn)生空穴；② 導(dǎo)帶中的電子與價(jià)帶中的空穴冷卻后因庫(kù)倫引力作用結(jié)合在一起形成激子，激子通過(guò)俄歇式激子-激子湮滅的方式復(fù)合；③ 幾百皮秒的衰減信號(hào)由熱效應(yīng)或被捕獲電子的復(fù)合過(guò)程造成，也可能是兩種衰減機(jī)制共同造成．

單層WS2被激發(fā)后的光響應(yīng)變化可清楚直接地體現(xiàn)在樣品被激發(fā)后的瞬態(tài)吸收光譜上，所以我們希望通過(guò)分析單層WS2被激發(fā)后A激子共振的線寬展寬、漂白及能量移動(dòng)隨時(shí)間的演化方式得到導(dǎo)致光響應(yīng)變化的原因．圖4為單層WS2被中心波長(zhǎng)為400 nm泵浦光激發(fā)后的瞬態(tài)吸收譜圖．可見(jiàn)，光致漂白信號(hào)大致位于613 nm，而位于636 nm的正值信號(hào)為光致吸收信號(hào)，光致漂白信號(hào)的產(chǎn)生可用泡利不相容原理來(lái)解釋，即不可能存在2個(gè)或2個(gè)以上的電子處于完全相同的狀態(tài)．同時(shí)帶電載流子的庫(kù)倫屏蔽效應(yīng)也會(huì)增強(qiáng)光致漂白信號(hào)的強(qiáng)度，這兩者的貢獻(xiàn)很難區(qū)分．圖5為不同時(shí)間范圍內(nèi)的瞬態(tài)吸收光譜．可見(jiàn)，在光致漂白信號(hào)增強(qiáng)的同時(shí)，瞬態(tài)吸收光譜發(fā)生展寬，如圖5(a)，其原因可歸結(jié)為庫(kù)倫散射．光致漂白信號(hào)的峰值在350 fs左右達(dá)到最大，在此之后幾百飛秒的時(shí)間范圍內(nèi)，瞬態(tài)吸收光譜的變化如圖5(b)，吸收光譜發(fā)生輕微的紅移并伴隨峰值的逐漸減小，這一時(shí)段內(nèi)瞬態(tài)吸收光譜紅移的原因是斯塔克效應(yīng)(Stark effect)[17]．瞬態(tài)吸收光譜峰值的降低是由于自由電子及空穴在改變瞬態(tài)吸收信號(hào)強(qiáng)度方面比激子更有效[12]，所以自由的電子空穴對(duì)形成激子后，瞬態(tài)吸收光譜的峰值減小，同時(shí)激子通過(guò)俄歇式激子-激子湮滅的方式復(fù)合，導(dǎo)致激子的數(shù)量減少，這也會(huì)使吸收光譜的峰值降低．在這幾百飛秒的時(shí)間范圍內(nèi)，激子的無(wú)輻射復(fù)合過(guò)程一直存在，只是很微弱．除此之外，還可從圖4中觀察到瞬態(tài)吸收光譜的線寬在經(jīng)過(guò)展寬后減小，這可歸結(jié)為庫(kù)倫散射作用的弱化．

圖4 單層WS2激發(fā)后同時(shí)隨探測(cè)光波長(zhǎng)及時(shí)間延遲變化的瞬態(tài)吸收譜圖Fig.4 (Color online) The transient absorption map of monolayer WS2 sample after pump excitation as the function of both wavelength and delay time of the probe light

圖5 在不同時(shí)間范圍內(nèi)的瞬態(tài)吸收光譜Fig.5 (Color online) The transient absorption spectra in different time ranges

接下來(lái)的衰減過(guò)程主要為無(wú)輻射復(fù)合過(guò)程，如圖4及圖5(c)所示．瞬態(tài)吸收光峰在1 ps左右出現(xiàn)藍(lán)移現(xiàn)象，其原因可能是Bernstein-Moss效應(yīng)[18]，即導(dǎo)帶底的態(tài)被大量占據(jù)，導(dǎo)致后續(xù)被激發(fā)的電子只能吸收更大的能量躍遷到更高能級(jí)．由文獻(xiàn)[19-20]可知，載流子在移動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)可以屏蔽光生載流子之間的庫(kù)倫相互作用．其中，光生載流子之間的庫(kù)倫斥力被屏蔽會(huì)導(dǎo)致電子帶隙減小，即準(zhǔn)粒子帶隙重整化現(xiàn)象，激子躍遷能表現(xiàn)為紅移；而光生載流子之間的庫(kù)侖引力被屏蔽，會(huì)導(dǎo)致激子的束縛能減少，激子躍遷能表現(xiàn)為藍(lán)移，兩種變化同時(shí)存在并互相抵消．因此，造成藍(lán)移的原因還可能是在這一時(shí)間范圍內(nèi)光生載流子之間的庫(kù)倫引力受到的屏蔽作用更強(qiáng)，激子躍遷能整體表現(xiàn)為藍(lán)移，引起瞬態(tài)吸收光譜的藍(lán)移，這一現(xiàn)象在文獻(xiàn)[16]中也有報(bào)道．實(shí)驗(yàn)中觀察到瞬態(tài)吸收光譜在藍(lán)移過(guò)程結(jié)束后轉(zhuǎn)變?yōu)榧t移，并伴隨吸收光譜的短暫展寬．此時(shí)，吸收光譜再次展寬的原因是激子以俄歇式激子-激子湮滅的方式進(jìn)行復(fù)合，并將多余的能量通過(guò)聲子轉(zhuǎn)移到晶格中，使晶格熱化[2]，晶格的熱化增強(qiáng)了庫(kù)倫散射，使吸收光譜的線寬再次展寬．隨后材料通過(guò)聲子將熱量傳遞給基底，材料的冷卻導(dǎo)致激子躍遷能紅移．經(jīng)過(guò)幾百個(gè)皮秒后瞬態(tài)吸收光譜恢復(fù)到初始狀態(tài)．

因此，單層WS2光響應(yīng)的變化過(guò)程為：① 當(dāng)單層WS2中的電子被激發(fā)后，A激子共振迅速展寬并同時(shí)伴隨著能級(jí)的漂白，這一過(guò)程持續(xù)時(shí)間大致為350 fs；② 之后幾百飛秒內(nèi)，激子躍遷能出現(xiàn)輕微的紅移，激子共振線寬逐漸減?。? ps左右，激子的躍遷能開(kāi)始藍(lán)移，經(jīng)過(guò)幾皮秒后又轉(zhuǎn)變?yōu)榧t移，并伴隨著激子共振峰的短暫展寬．整個(gè)過(guò)程持續(xù)的時(shí)間大約為幾百皮秒．

通過(guò)對(duì)瞬態(tài)吸收光譜變化的分析可知，導(dǎo)致單層WS2被激發(fā)后光響應(yīng)變化的原因主要有：① 庫(kù)倫散射導(dǎo)致激子共振峰展寬；② 泡利不相容原理導(dǎo)致光致漂白信號(hào)產(chǎn)生，同時(shí)，庫(kù)倫屏蔽會(huì)增強(qiáng)光致漂白信號(hào)的強(qiáng)度；③ Bernstein-Moss效應(yīng)會(huì)造成激子的躍遷能藍(lán)移；④ 光生載流子之間的庫(kù)倫相互作用被屏蔽，可能會(huì)導(dǎo)致激子躍遷能的紅移或藍(lán)移； ⑤ 激子躍遷能隨晶格溫度的變化，光生載流子在衰減過(guò)程釋放的熱量通過(guò)聲子轉(zhuǎn)移到晶格，造成晶格熱化．晶格的熱化增強(qiáng)了庫(kù)倫散射，導(dǎo)致激子共振的線寬再次展寬．而隨后材料通過(guò)聲子將熱量傳遞給基底的冷卻過(guò)程導(dǎo)致了激子躍遷能的紅移．

綜上可見(jiàn)，庫(kù)倫散射、泡利不相容原理、自由載流子之間的庫(kù)倫相互作用被屏蔽以及庫(kù)倫屏蔽都可歸納為光生載流子造成的多體相互作用．而激子躍遷能隨晶格溫度移動(dòng)可歸結(jié)為材料通過(guò)聲子將熱量傳遞給基底的冷卻過(guò)程．所以，單層WS2被激發(fā)后導(dǎo)致光響應(yīng)變化的主要原因?yàn)楣馍d流子造成的多體相互作用，以及材料通過(guò)聲子將熱量傳遞給基底的冷卻過(guò)程．

結(jié) 語(yǔ)

利用泵浦探測(cè)系統(tǒng)分析單層WS2中光生載流子動(dòng)力學(xué)，發(fā)現(xiàn)光生載流子的3個(gè)衰減過(guò)程，其中，激子的無(wú)輻射復(fù)合過(guò)程其壽命約為27 ps，百皮秒量級(jí)的衰減信號(hào)是由熱效應(yīng)或者是被捕獲電子的復(fù)合過(guò)程導(dǎo)致．通過(guò)分析不同泵浦光激發(fā)條件下位于613 nm的光致漂白信號(hào)，證實(shí)其中亞皮秒的衰減過(guò)程為激子形成過(guò)程．通過(guò)分析單層WS2被激發(fā)后光響應(yīng)的變化，即分析單層WS2被激發(fā)后A激子共振的線寬展寬，漂白及激子躍遷能的移動(dòng)隨時(shí)間的演化，認(rèn)為導(dǎo)致單層WS2被激發(fā)后光響應(yīng)變化主要原因，分別是光生載流子造成的多體相互作用和材料通過(guò)聲子將熱量傳遞給基底的冷卻過(guò)程．研究為單層WS2在光電子器件方向的應(yīng)用提供基礎(chǔ)信息．