ng28南宫刘新风研究员团队，联合ng28南宫张勇团队和物理所孟胜团队研究了球磨法制备的不同横向尺寸(10 nm-160 nm) 的MoS2的边缘态，激子扩散及解离的动力学过程，为光电子学和光捕获应用奠定了重要基础。相关成果发表在Nano Letters 杂志上 (doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c04987)。
材料的表面态具有特别的物理和化学性质，凝聚态材料的表面态一直是研究的焦点。其中，二维过渡金属硫属化合物(TMDC)的边缘状态也被广泛研究，研究发现其具有边缘导电、边缘等离子体、自旋保护传输以及高催化活性等性质，这些优异的性能表现加深了TMDC基础研究和丰富了其应用前景。边缘电子态的亚带隙分布、金属带、自旋非简并等部分特征已经被研究，而它们的动力学尚未被完全理解，特别是边缘状态如何以及如何快速填充，它们如何有助于整体电荷传输和重组？解决这些问题对于优化和扩展TMDC应用至关重要，然而微弱的边缘信号通常会被内部背景淹没或受到边缘杂质干扰，需要极度暴露和干净的边缘结构，因此研究仍然存在挑战。
研究团队使用球磨产生的10 nm MoS2纳米片，该方法产生的纳米片尺寸均一，更重要的是具有洁净的高锯齿形暴露边缘。结合电子能量损失光谱 (EELS)和第一性原理计算，预测了亚带隙边缘态吸收，覆盖范围为1.23 eV至1.78 eV。揭示了边缘态粒子和与激子的竞争，由于纳米尺寸，这些纳米片具有高度暴露的边缘，约占片面积的11%，便于边缘状态的直接瞬态吸收(TA)研究。在1.87 eV能量激发下，光激发激子首先通过带间填充并很快在约0.40 ps内解离成边缘电子态过渡。在低于带隙激发的情况下，由于通过非绝热耦合 (NAC)分析减少了带内轨道耦合，边缘态的布居时间更长，最高可达1.0 ps。泵浦能量依赖TA数据揭示了空穴的带间跃迁速率决定了边缘态的产生。边缘态的形成过程分别受到了带间跃迁和带内驰豫的调控，在高于带隙时激发，存在带间跃迁决定的0.4 ps超快激子解离动力学过程；低于带隙能量激发时，边缘态能带上的驰豫决定了边缘态的形成。团队还进一步研究了激子输运对边缘态种群动力学的影响。此外，研究团队发现边缘状态引入了边界上的外部电位梯度，终止了激子从内部的激子扩散传输。通过测量激子解离寿命作为纳米片横向尺寸的函数，提取激子扩散系数86.7 cm2/s，进一步证实了边界阻挡激子扩散。这项研究从能量、时间和空间角度扩展了对TMDC半导体边缘态动力学的理解，为边缘态操纵和器件优化提供了途径。
ng28南宫毕业博士生眭新雨，中科院物理所博士生王慧敏，ng28南宫硕士生梁程为文章第一作者，刘新风研究员，孟胜研究员，张勇研究员为通讯作者。该项工作得到了中国科学院战略性先导科技专项（B类），科技部重点研发计划，中科院仪器开发项目，国家自然科学基金，洁净能源国家实验室（DNL）合作基金等项目的支持。
原文链接：http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c04987
图1. MoS2纳米片单颗粒的边缘态 EELS 测量（A）典型10nm MoS2纳米片HAADF-TEM 图像。 (B)EELS测量原理示意图。（C)MoS2纳米片内部和边缘位置的EELS，MoS2纳米片的光吸收作为参考。(D) MoS2边缘态的能带结构和总电子态密度电子带结构。
图2. (A) MoS2激子态和边缘态的能级结构图。(B) 具有1.87 eV激发（与A激子共振）和 4.0 μJ/cm2功率激发的TA光谱的二维伪彩色图。(C) 激子态（记为EX）和边缘态（记为ES）通过SVD及其全局拟合的时间变化过程，插图突出了边缘状态和激子之间的相关上升和衰减过程。
图3. 能量依赖边缘态动力学。 (A) 激子态（记为EX）和边缘态（记为ES）的K-S轨道耦合的NAC矩阵。 (B) 依赖于激发能量的激子衰减动力学，对应于边缘状态的形成。 (C)边缘态形成寿命作为泵浦能量的函数。
图4. 扩散受限边缘状态形成。(A) DFT计算了整个纳米片的局部电位分布。 (B) 激子解离作为纳米片平均尺寸的函数。(C) 激子寿命与纳米片横向尺寸平方的关系，展示了扩散引起的线性依赖性。扩散系数为86.7 cm2/s，分别通过扩散模型拟合和蒙特卡罗方法的随机游走模拟进行了验证。
