技术文章: 光触发单层WS中的新兴介观结构

  在当前纳米材料领域中，二维过渡金属硫化物因其独特的性能而备受关注。其超高表面积能够驱动光、电和机械性质之间的多模态耦合，从而产生在三维系统中不可能实现的新兴动态响应。其中，WS₂单层由于其优异的光电性能和机械性能，被视为未来纳米电子学的理想材料之一。然而，WS₂单层在光照条件下的动态响应机制尚不明确，这限制了其在实际应用中的进一步发展。因此，为了深入理解WS₂单层的光机械性能和电学行为，Young-Chul Leem, Zhenyao Fang, Yun-Kyung Lee, Na-Yeong Kim, Arvin Kakekhani, Wenjing Liu, Sung-Pyo Cho, Cheolsu Kim, Yuhui Wang, Zhurun Ji, Abhirup Patra, Leeor Kronik, Andrew M. Rappe, Sang-Youp Yim, and Ritesh Agarwal 研究团队采用了实验和理论相结合的方法进行了这一领域的深入探究。本研究于2024年被Nano Letters 期刊收录 

(DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c00358)。

  在这项研究观察到，当光激发WS₂单层超过激子能量时，会产生对称分布的机械凸起，这些凸起可以通过激光强度和波长进行控制。这种观察到的光致形变行为归因于极化子的形成引起的晶格膨胀，极化子是由晶格振动包裹的电荷载流子。文章探讨了明亮和暗淡光致发光（PL）区域的起源，发现明亮区域中缺陷密度较低，而暗淡区域中存在较多的缺陷，导致光学性质的差异。通过扫描透射电子显微镜（STEM）和原子力显微镜（AFM）等技术，研究人员观察到了明亮和暗淡PL区域之间的结构差异，并将这些差异归因于WS₂中的缺陷。通过基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算，研究人员进一步验证了光致形变的机制，并探索了WS₂单层中电荷迁移的能级变化和晶格畸变。

  在实验中，使用了先进的扫描凯尔文探针力显微镜（SKPM）和原子力显微镜（AFM）等仪器对WS₂单层进行表征和分析。研究团队参考使用了Park Systems公司的SKPM技术和AFM技术，主要用于测量WS₂单层的表面形貌、功函数和晶格畸变等参数，为研究者们深入理解WS₂单层的光机械性能和电学性质提供了关键支持。

  SKPM测量结果表明，在光照条件下，WS₂单层的工作函数发生了显著变化，这表明光照引起了WS₂单层内部的电荷转移和型变。AFM观察则显示了WS₂单层在光照下的拓扑结构变化，特别是在光激发超过激子能量时，形成了对称分布的机械凸起。通过SKPM和AFM的结合应用，我们能够全面理解WS₂单层在光照条件下的电学和机械性质的变化，并揭示了这些性质之间的相互关联。

  通过扫描开尔文探针力显微镜测量和密度泛函理论计算，揭示了非常规的电荷传输特性。例如，WS₂单层中表观n型到p型的空间和光强度依赖转换，以及在不同缺陷密度区域边界处随之形成的有效p-n结。这表明了光激发下的WS₂单层具有丰富的电学行为，其载流子输运性质可以通过光照条件和材料的缺陷特性进行调控。

  文章还讨论了WS₂单层在不同波长的光照射下的行为差异。实验结果表明，使用蓝光和红光照射WS?时，观察到了类似的形变现象，而使用近红外光照射时，则没有观察到形变。作者认为，这是因为近红外光主要被底层Si基板吸收，而不是被WS₂吸收，因此不会产生形变现象。

Park Systems全自动原子力显微镜FX40

  本研究观察到的这种强烈的光电机械耦合揭示了以前未探索的性质，可能导致光驱动超薄微动器的新应用。这为光驱动的微纳米器件的设计和制造提供了全新的思路和方向，有望在微机械系统和光子学等领域发挥重要作用。这些发现不仅推动了对WS₂单层光响应行为的深入理解，还为利用二维材料构建功能性纳米器件提供了新的可能性和机遇。而Park Systems的SKPM和AFM等表征技术在本研究中发挥了重要作用，为我们提供了观察WS₂单层表面形貌和电学、力学特性变化的关键工具。