[论文解读] Intertube excitonic coupling in nanotube van der Waals heterostructures

Maria G. Burdanova, M. Liu+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2021

2D Materials and Applications参考文献 30被引用 4

一句话总结

本研究展示了由碳纳米管（CNT）核心、六方氮化硼（BN）阻挡层和二硫化钼（MoS₂）纳米管（NT）壳层组成的1D范德华异质结构中，超快的管间激子耦合。对CNT激子的红外激发通过偶极-偶极库仑相互作用在MoS₂中诱导出亚皮秒级的可见光响应，而通过BN阻挡层的较慢空穴转移（τ ≈ 220 ps）则在更长时标上改变了MoS₂的吸收，从而在径向异质结中实现波长选择性光电器件调控。

ABSTRACT

Excitons dominate the optics of atomically-thin transition metal dichalcogenides and 2D van der Waals heterostructures. Interlayer 2D excitons, with an electron and a hole residing in different layers, form rapidly in heterostructures either via direct charge transfer or via Coulomb interactions that exchange energy between layers. Here, we report prominent intertube excitonic effects in quasi-1D van der Waals heterostructures consisting of C/BN/MoS$_2$ core/shell/skin nanotubes. Remarkably, under pulsed infrared excitation of excitons in the semiconducting CNTs we observed a rapid (sub-picosecond) excitonic response in the visible range from the MoS$_2$ skin, which we attribute to intertube biexcitons mediated by dipole-dipole Coulomb interactions in the coherent regime. On longer ($>100$ps) timescales hole transfer from the CNT core to the MoS$_2$ skin further modified the MoS$_2$'s absorption. Our direct demonstration of intertube excitonic interactions and charge transfer in 1D van der Waals heterostructures suggests future applications in infrared and visible optoelectronics using these radial heterojunctions.

研究动机与目标

• 研究准一维范德华异质结构（CNT/BN/MoS₂纳米管）中的管间激子耦合。
• 确定库仑相互作用是否在CNT与MoS₂层之间介导超快能量转移。
• 分离竞争过程——库仑介导的能量转移、电荷转移和热传导——以阐明光学响应动力学的主导机制。
• 通过选择性激发CNT核心，实现对MoS₂光学特性的调控，从而在径向异质结中实现波长选择性响应。

提出的方法

• 采用可调谐红外（0.6 eV）和紫外（3.0 eV）泵浦脉冲，结合飞秒瞬态吸收光谱，选择性激发CNT和MoS₂ NT。
• 采用泵浦-探测配置，时间延迟可调（100 fs至3 ns），以解析异质结构中的超快与长时标动力学。
• 进行多组布洛赫模拟，其中探测脉冲共振于1↔3跃迁，以建模泵浦引起的振子强度变化，并与实验数据匹配。
• 将C@BN@MoS₂的瞬态吸收响应与参比样品（BN@MoS₂和C@BN）进行比较，以分离管间耦合效应。
• 在特定能量点（如2.02–2.04 eV）分析时间分辨光学密度（ΔOD）动力学，以提取特征衰减与上升时间。
• 利用量子隧穿理论建模空穴通过BN阻挡层的隧穿过程，估算与观测到的220 ps上升时间一致的时间尺度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在径向1D范德华异质结构中，通过库仑相互作用的管间激子耦合是否能介导从CNT到MoS₂ NT的超快能量转移？
• RQ2 在红外激发CNT后，管间激子响应的初始时间尺度是什么？
• RQ3 从CNT核心到MoS₂壳层的空穴转移是否导致MoS₂吸收的长寿命改变？
• RQ4 竞争过程——库仑介导的能量转移、电荷转移和热传导——如何共同贡献于观测到的瞬态吸收动力学？
• RQ5 通过选择性激发CNT核心，能否有效调控MoS₂ NT壳层的光学响应？

主要发现

• 在CNT红外激发后，MoS₂ NT在可见光波段观察到亚皮秒级（≤1 ps）的瞬态吸收响应，归因于通过偶极-偶极库仑相互作用形成的管间双激子。
• 该超快响应在1 ps内消失，表明相干管间激子耦合是瞬态的，且在100 fs至1 ps时间尺度内占主导地位。
• 在红外激发后超过100 ps，观察到MoS₂吸收的长寿命（≥3 ns）增强，其上升时间常数为τ_r = 220 ps，与通过BN阻挡层的空穴隧穿一致。
• 220 ps的上升时间与BN阻挡层中空穴隧穿时间（100 ps–1 ns）的理论估算相符，支持电荷转移是慢响应的起源。
• 在3.0 eV处对MoS₂的紫外激发产生单调衰减的ΔOD，寿命为60 ps，排除了红外激发下长寿命响应由光热效应引起的可能。
• 参比样品（BN@MoS₂和C@BN）中均未观察到长寿命响应，证实该效应特异性存在于C@BN@MoS₂异质结构中，源于管间耦合。