光致電荷分離顯著影響橫向 MoS
2−石墨烯結的光電性能。通常，絕熱機制控制化學結合界面處的電子轉移 (ET)。與直覺相反，我們使用非絕熱(NA)分子動力學證明了NA機制在橫向MoS
2-石墨烯共價連接中支配著從MoS
2到石墨烯的電子轉移。由界面處形成的內置電場引起的異常電子轉移機制通過驅動電子和空穴向相反方向移動來減少供體--受體相互作用。 在石墨烯和MoS
2振動的驅動下，MoS2上的光激發(fā)電子在200fs內通過NA機制快速轉移到石墨烯中，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。該研究建立了對橫向MoS2-石墨烯結中復雜電荷-聲子動力學的機械理解，這是光電和光伏應用的關鍵。
圖 1. 模擬單元的頂視圖和側視圖，顯示了 (a)優(yōu)化的幾何形狀（左圖）。 （b）在橫向 MoS2−石墨烯結的MD模擬期間在300 K（右圖）下的代表性快照。 熱波動會導致石墨烯片的顯著平面外運動，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時使用優(yōu)化的幾何形狀計算。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)的電荷密度導致在 300 K 時界面區(qū)域的輕微離域，使用圖 1b 中所示的幾何形狀計算。
圖 3. (a) PE態(tài)（粗黑線）和石墨烯的能量演化以及MoS
2導帶態(tài)（細灰線）。 (b)在MoS
2 上PE態(tài)定位的演化。通過對每個量的自相關函數(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內的基態(tài)驅動到位于MoS
2 CB內的激發(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。 (b) 光致ET機制。 PE電子可以通過過渡態(tài)勢壘（彎曲的藍色箭頭）從供體絕熱地注入受體。 或者，注射可以非絕熱進行，在供體和受體狀態(tài)之間跳躍（向下的紅色箭頭）。 光激發(fā)可以促進電子從供體基態(tài)直接轉移到受體激發(fā)態(tài)（向上的綠色箭頭）。 (c) 平均 ET 動力學。 黑色實線、藍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間尺度的擬合數(shù)據(jù)。 由于供體-受體耦合較弱，NA機制在ET事件中占主導地位。 (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。
相關科研成果由北京師范大學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。
轉自《石墨烯雜志》公眾號
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