测试二维材料异质结中缺陷影响能量转移的方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种测试二维材料异质结中缺陷影响能量转移的方法。


背景技术：

2.能量转移是一种从施主到受主的非辐射转移过程，由于其高能量转换效率和强发射特性，在包括太阳能电池、发光二极管和激光器在内的各种光电应用中引起了广泛的研究。
3.在纳米级半导体混合结构中，不同材料之间的能量转移通常是它们的光响应的原因。由于过渡金属硫化物(tmdc)具有较强的激子效应，因此通常可将不同的二维tmdc通过范德华力进行耦合构成异质结，用于研究不同材料之间的能量转移。
4.然而，由于较低的库仑屏蔽效应和对本征掺杂高度敏感，在生产或操作过程中，tmdc中很容易引入缺陷，从而强烈影响tmdc的电子结构和光学带隙，最终影响材料间的能量转移。了解缺陷对二维tmdc异质结构能量转移动力学的影响对于开发基于tmdc异质结构的光电器件非常重要。
5.因此，本发明的目的是提供一种测试二维材料异质结中缺陷影响能量转移的方法。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种测试二维材料异质结中缺陷影响能量转移的方法。
7.本发明提供的一种测试二维材料异质结中缺陷影响能量转移的方法，包括：
8.由下至上依次放置单层的下层过渡金属硫化物、隔离层及单层的上层过渡金属硫化物以制备异质结；
9.对所述异质结进行若干次等离子体处理，以向所述异质结引入缺陷，且第一次处理时间为0秒；
10.每次对所述异质结进行等离子体处理后，均对所述异质结进行检测。
11.根据本发明提供的一种测试二维材料异质结中缺陷影响能量转移的方法，所述对所述异质结进行检测，包括：
12.通过稳态荧光光谱技术检测所述异质结，以获得相应处理时间的所述异质结的pl谱；和/或，
13.通过瞬态荧光寿命成像技术检测所述异质结，以获得相应处理时间的所述异质结的荧光寿命成像图和荧光寿命衰减曲线。
14.根据本发明提供的一种测试二维材料异质结中缺陷影响能量转移的方法，在所述获得相应处理时间的所述异质结的荧光寿命衰减曲线之后，还包括：
15.拟合所述荧光寿命衰减曲线，以获得激子寿命和平均激子寿命；
16.根据所述平均激子寿命计算能量转移速率和能量转移效率。
17.根据本发明提供的一种测试二维材料异质结中缺陷影响能量转移的方法，在所述对所述异质结进行若干次等离子体处理之前，还包括：
18.通过稳态拉曼光谱特征峰值及特征峰值差分别校验所述下层过渡金属硫化物和所述上层过渡金属硫化物。
19.根据本发明提供的一种测试二维材料异质结中缺陷影响能量转移的方法，在所述对所述异质结进行若干次等离子体处理之前，还包括：
20.分别检测所述异质结的所述下层过渡金属硫化物、所述上层过渡金属硫化物及所述隔离层的厚度，以确定所述下层过渡金属硫化物、所述上层过渡金属硫化物及所述隔离层的层数。
21.根据本发明提供的一种测试二维材料异质结中缺陷影响能量转移的方法，所述隔离层包括若干层氮化硼。
22.根据本发明提供的一种测试二维材料异质结中缺陷影响能量转移的方法，所述下层过渡金属硫化物为二硫化钨，所述上层过渡金属硫化物为二硫化钼。
23.根据本发明提供的一种测试二维材料异质结中缺陷影响能量转移的方法，所述等离子体处理包括：
24.将所述异质结置入氧等离子体腔中进行处理。
25.根据本发明提供的一种测试二维材料异质结中缺陷影响能量转移的方法，所述通过瞬态荧光寿命成像技术检测所述异质结包括：
26.通过时间相关单光子计数的倒置荧光显微镜检测所述异质结。
27.根据本发明提供的一种测试二维材料异质结中缺陷影响能量转移的方法，所述通过稳态荧光光谱技术检测所述异质结包括：
28.通过共聚焦拉曼光谱仪检测所述异质结。
29.本发明提供的测试二维材料异质结中缺陷影响能量转移的方法，通过设置隔离层能够使下层过渡金属硫化物与上层过渡金属硫化物之间产生间距，避免二者之间产生电荷转移影响测试结果的准确性。通过等离子体处理向异质结中引入缺陷后检测异质结，并通过并对比不同处理时间的异质结的检测结果，即可得出不同密度的缺陷对于异质结能量转移的影响。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1是本发明提供的测试二维材料异质结中缺陷影响能量转移的方法的流程示意图；
32.图2是本发明提供的二硫化钼/氮化硼/二硫化钨异质结的光学显微镜图；
33.图3是本发明提供的等离子体处理不同时间的二硫化钼/氮化硼/二硫化钨异质结中二硫化钼的拉曼光谱图；
34.图4是本发明提供的等离子体处理不同时间的二硫化钼/氮化硼/二硫化钨异质结
稳态pl谱强度图；
35.图5是本发明提供的等离子体处理不同时间的二硫化钼/氮化硼/二硫化钨异质结的荧光寿命成像图；
36.图6是本发明提供的等离子体处理不同时间的二硫化钼/氮化硼/二硫化钨异质结中不同区域的时间分辨荧光寿命衰减曲线图；
37.图7是本发明提供的能量转移速率和能量转移效率随等离子体处理时间变化的曲线图。
具体实施方式
38.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.下面结合图1-图7描述本发明的测试二维材料异质结中缺陷影响能量转移的方法。
40.具体而言，测试二维材料异质结中缺陷影响能量转移的方法，包括：
41.由下至上依次放置单层的下层过渡金属硫化物、隔离层及单层的上层过渡金属硫化物以制备异质结。
42.对异质结进行若干次等离子体处理，以向异质结引入缺陷，且第一次处理时间为0秒。
43.每次对异质结进行等离子体处理后，均对异质结进行检测。
44.通过设置隔离层能够使下层过渡金属硫化物与上层过渡金属硫化物之间产生间距，避免二者之间产生电荷转移影响测试结果的准确性。通过等离子体处理向异质结中引入缺陷后检测异质结，并通过对比不同处理时间的异质结的检测结果，即可得出不同密度的缺陷对于异质结能量转移的影响。
45.在本发明提供的一些实施例中，对异质结进行检测包括：
46.通过稳态荧光光谱技术检测异质结，以获得相应处理时间的异质结的pl谱。
47.和/或，通过瞬态荧光寿命成像技术检测异质结，以获得相应处理时间的异质结的荧光寿命成像图和荧光寿命衰减曲线。
48.通过等离子体处理向异质结中引入缺陷后，通过稳态荧光光谱技术和瞬态荧光寿命成像技术检测异质结，并通过对比不同处理时间的异质结的检测结果，即可得出缺陷对于异质结能量转移的影响。并且通过稳态荧光光谱和瞬态荧光寿命成像图能够快速直观的观察到缺陷对能量转移的影响。
49.在本发明提供的一些实施例中，下层过渡金属硫化物为二硫化钨，上层过渡金属硫化物为二硫化钼。
50.在本发明提供的一些实施例中，隔离层包括若干层氮化硼。通过设置氮化硼能够避免下层过渡金属硫化物与上层过渡金属硫化物之间产生电荷转移。可选地，氮化硼的层数设置为10-20。
51.以下层过渡金属硫化物为二硫化钨，上层过渡金属硫化物为二硫化钼为例进行介
绍。其余材料的异质结与之原理相同。
52.可选地，上述由下至上依次放置单层的下层过渡金属硫化物、隔离层及单层的上层过渡金属硫化物以制备异质结，包括：
53.首先采用机械剥离法制备出单层二硫化钼、二硫化钨和若干层氮化硼样品。单层二硫化钨从块状晶体机械剥离到玻璃基底上，而单层二硫化钼和若干层氮化硼则从块状晶体机械剥离到凝胶膜基底上。在光学显微镜下，将凝胶膜基底上的若干层氮化硼覆盖到单层二硫化钨上，覆盖接触后，静置5分钟获得氮化硼/二硫化钨异质结。再次将凝胶膜基底的二硫化钼覆盖到玻璃基底上的氮化硼/二硫化钨异质结上，最终在玻璃基底上得到二硫化钼/氮化硼/二硫化钨异质结。
54.参考图3所示的等离子体处理不同时间的二硫化钼/氮化硼/二硫化钨异质结中二硫化钼的拉曼光谱图。二硫化钼的拉曼特征峰面外a
1g
模式呈现蓝移，而面内模式随着氧等离子体照射时间的增加呈现更明显的红移，表明经过等离子体处理后向二硫化钼中引入了缺陷，并且随着等离子体处理时间的增加缺陷密度增大。
55.通过测试单层的二硫化钨和单层的二硫化钼的pl谱，并将二者的pl谱均与等离子体处理时间为0秒的二硫化钼/氮化硼/二硫化钨异质结的pl谱对比。相比于对应材料的单层结构，等离子体处理时间为0秒的二硫化钼/氮化硼/二硫化钨异质结区域中二硫化钨层的pl强度增强，而二硫化钼层的pl强度则大大降低，并且pl峰值无明显变化，可以得出无缺陷的二硫化钼/氮化硼/二硫化钨异质结存在能量转移过程，并且能量是从二硫化钼层转移到二硫化钨层。
56.参考图4所示的等离子体处理不同时间的二硫化钼/氮化硼/二硫化钨异质结稳态pl谱强度图。可以得到不同缺陷密度对二硫化钼/氮化硼/二硫化钨异质结能量转移的影响。缺陷可以促进更多的能量转移。
57.对比不同处理时间的二硫化钼/氮化硼/二硫化钨异质结的pl光谱，发现二硫化钼/氮化硼/二硫化钨异质结中二硫化钨的pl强度随着等离子处理时间的增加而增加，可以得出缺陷增强二硫化钼/氮化硼/二硫化钨异质结中的能量转移，并在一定范围内，能量转移效率随着随缺陷密度的增加而增加。
58.参考图5所示的等离子体处理不同时间的二硫化钼/氮化硼/二硫化钨异质结的荧光寿命成像图。可以得出不同密度缺陷对二硫化钼/氮化硼/二硫化钨异质结能量转移的影响。缺陷可以加速更多的能量转移，激子重组时间缩短。
59.通过荧光寿命成像图可以直观地监测出二硫化钼/氮化硼/二硫化钨异质结区域激子衰减时间随着等离子处理时间的增加而降低，可以得出缺陷加快二硫化钼/氮化硼/二硫化钨异质结中的能量转移，并在一定范围内，能量转移速率随着随缺陷密度的增加而增加。
60.在本发明提供的一些实施例中，通过稳态荧光光谱技术检测异质结包括：通过共聚焦拉曼光谱仪检测异质结。例如，labram hr evolution型共聚焦拉曼光谱仪。
61.在本发明提供的一些实施例中，通过瞬态荧光寿命成像技术检测异质结包括：通过时间相关单光子计数的倒置荧光显微镜检测异质结。例如，可选用olympus生产的ix83型号的倒置荧光显微镜。
62.在本发明提供的一些实施例中，在获得相应处理时间的异质结的荧光寿命衰减曲
线之后，还包括：
63.拟合荧光寿命衰减曲线，以获得激子寿命和平均激子寿命；
64.根据平均激子寿命计算能量转移速率和能量转移效率。
65.具体地，可使用双指数函数：
[0066][0067]
拟合荧光寿命衰减曲线，以获得a1、a2、τ1及τ2。其中，a1和a2为归一化振幅分量，τ1和τ2为激子寿命。
[0068]
需要说明的是，拟合荧光寿命衰减曲线的步骤可以通过倒置荧光显微镜进行，其中，a1、a2、τ1及τ2均可从倒置荧光显微镜中获取。
[0069]
根据a1、a2、τ1及τ2，并基于寿命公式：
[0070]
τ
av
＝a1τ1 a2τ2[0071]
可获得平均激子寿命τ
av
。
[0072]
根据上述的寿命公式，以及从倒置荧光显微镜中读取异质结中的归一化振幅分量和激子寿命，可以计算异质结的平均激子寿命τ
heter
。根据上述的寿命公式，以及从倒置荧光显微镜中读取施主的归一化振幅分量和激子寿命，可以计算施主的平均激子寿命τ
donor
。对于二硫化钼/氮化硼/二硫化钨异质结而言，施主是指二硫化钼层。如图5所示，τ
donor
也可以直接在倒置荧光显微镜生成的荧光寿命成像图中的二硫化钼层区域获取。即选取荧光寿命成像图中的二硫化钼层区域后，经过去卷积(考虑仪器响应)并双指数拟合，再通过平均激子寿命计算即可获取τ
donor
。τ
heter
也可以直接在倒置荧光显微镜生成的荧光寿命成像图中的二硫化钼/氮化硼/二硫化钨异质结区域获取。即选取荧光寿命成像图中的二硫化钼/氮化硼/二硫化钨异质结区域后，经过去卷积(考虑仪器响应)并双指数拟合，再通过平均激子寿命计算即可获取τ
heter
。
[0073]
根据τ
heter
以及τ
donor
，基于能量转移速率公式：
[0074]
1/τ
et
＝1/τ
heter-1/τ
donor
[0075]
即可计算出能量转移速率。
[0076]
根据τ
heter
以及τ
donor
，基于能量转移效率公式：
[0077]
η
et
＝1-τ
heter
/τ
donor
[0078]
即可计算出能量转移效率。
[0079]
对比不同处理时间的异质结的能量转移速率及能量转移效率，可以定量的得出异质结中不同密度的缺陷对于能量转移速率及能量转移效率的影响。
[0080]
参考图7所示的能量转移速率和能量转移效率随等离子体处理时间变化的曲线图。能量转移效率和能量转移率随着缺陷密度的增加而增加。
[0081]
在本发明提供的一些实施例中，在对异质结进行若干次等离子体处理之前，还包括：
[0082]
通过稳态拉曼光谱特征峰值及特征峰值差分别校验下层过渡金属硫化物和上层过渡金属硫化物。由于不同的过渡金属硫化物表现不同的特征峰值及特征峰值差，因此，可通过稳态拉曼光谱来校验过渡金属硫化物的样品信息。
[0083]
如此，能够校验测试过程中所采用的下层过渡金属硫化物和上层过渡金属硫化物的样品信息，避免采用了错误的材料。
[0084]
进一步地，稳态拉曼光谱也可利用上述的共聚焦拉曼光谱仪采集。
[0085]
在本发明提供的一些实施例中，在对异质结进行若干次等离子体处理之前，还包括：
[0086]
分别检测异质结的下层过渡金属硫化物、上层过渡金属硫化物及隔离层的厚度，以确定下层过渡金属硫化物、上层过渡金属硫化物及隔离层的层数。
[0087]
如此，能够校验测试过程中所采用的下层过渡金属硫化物、上层过渡金属硫化物及隔离层的层数是否正确。进一步地，可以采用原子力显微镜测试异质结的下层过渡金属硫化物、上层过渡金属硫化物及隔离层的厚度。
[0088]
在本发明提供的一些实施例中，等离子体处理包括：将异质结置入氧等离子体腔中进行处理。例如，可以在13.56mhz射频的10w氧等离子体腔中对样品进行处理。
[0089]
进一步地，每次对异质结进行等离子体处理时，时间大于零秒，但对异质结引入的缺陷而言实际上是累加的。例如，第一次对异质结进行等离子体处理时间为10秒，进行相关检测后，第二次对异质结进行等离子体处理时间为5秒，则第二次处理完毕后，实质上累计对异质结处理了15秒的时间。处理时间越长预示着异质结内的缺陷密度越大。
[0090]
可选地，为了提高测试的精度，每次对异质结进行等离子体处理后，在5min之内对异质结进行检测，并在测试完毕后将异质结再放入等离子体腔内进行下一个时间的等离子体处理，以待下次检测。
[0091]
例如，对异质结等离子体处理的时间可设置为0s，10s，20s，30s，35s，40s，48s，56s，64s，72s。以前三次处理为例进行说明，第一次处理时间0s。第二次处理时间10s，与第一次处理时间累加即处理了10s。第三次处理时间10s与前两次处理时间累加即处理了20s。
[0092]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。