近日，物理学院/光子学与光子技术研究所徐新龙教授团队通过基于飞秒激光的瞬态吸收光谱技术，对二维半导体紫磷纳米片的载流子动力学进行了研究。团队提出了一种带边模型来描述紫磷的瞬态吸收光谱特性，同时利用瞬态吸收显微镜确定了紫磷中的高双极性载流子迁移率，为基于二维半导体光电子器件的设计与开发奠定了物理基础。研究成果以“High Ambipolar Mobility and Long-Range Carrier Transport in Violet Phosphorus Nanosheet”为题，于8月7日发表在自然指数收录Top期刊Nano Letters上。
明确二维半导体中载流子的迁移率和扩散长度对于评估载流子的输运能力至关重要，其可直接影响半导体光电器件的性能，使得寻找具有优异载流子运输能力的新材料成为了半导体领域的重要研究方向。二维材料中石墨烯和黑磷具有远高于传统硅的迁移率，但石墨烯的无带隙结构与黑磷极易氧化的特性限制了其在光电领域相关器件的应用。紫磷，磷的一种同素异形体，于2019年被成功合成，其具有比黑磷更好的稳定性，且在理论上具有高达7680 cm²·V⁻¹·s⁻¹的载流子迁移率。然而，目前对于紫磷中载流子迁移率的实际测量仅有通过场效应管方法测量所得，且数值（2.25 cm²·V⁻¹·s⁻¹）远低于理论预测。基于此，如何构建紫磷的载流子动力学物理模型，并进一步精确测量紫磷的载流子迁移率和扩散长度，成为了亟待解决的科学问题。
本工作中，研究团队利用飞秒瞬态吸收显微镜对通过机械剥离得到的紫磷纳米片进行光学泵浦-探测测量，利用光子能量远高于材料带隙的飞秒激光激发样品时可在其宽带瞬态吸收光谱上观察到两个光诱导吸收峰。为明确这两个光诱导吸收峰的起源，团队对这两个峰的动力学衰减曲线进行了研究，得到了紫磷中的激子寿命和自由载流子寿命分别为467.21 ps和263.92 ps。基于上述结果，团队构建了紫磷的带边模型，并通过带边激发时的瞬态吸收光谱与载流子动力学响应进行了实验验证。进一步，研究团队通过单点激发-宽场探测技术，首次在实验上获得了紫磷中载流子的迁移率（1798 cm2∙V-1∙s-1）与激子输运距离（2.1 μm），相关数值大于二硫化钼，三硫化钛以及二硫化铼等多种常见的二维半导体材料。这一研究结果对于理解紫磷中的载流子输运特性和设计制造基于紫磷的高性能光电器件具有重要意义。
本工作我校为第一研究单位，黄媛媛副教授为第一通讯作者，徐新龙教授为共同通讯作者。该项目得到了国家自然科学基金组织间国际合作与交流项目和面上项目的支持。
（a）构建的紫磷带边模型与载流子动力学过程；（b）带边激发条件下的瞬态吸收光谱；（c）带边激发与远高于带隙激发条件下的载流子动力学曲线对比
紫磷纳米片中载流子在平面内的输运与迁移率对比
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c02979