[发明专利]脉冲激光照射单层二硫化钼实现光学改性的方法及装置

说明书

本发明涉及二维半导体材料和光学领域，具体为一种通过脉冲激光照射实现对单层二硫化钼光学改性的方法及其装置，包括实现了对单层二硫化钼荧光量子产率的提高和对单层二硫化钼荧光光谱的连续调节，解决了单层二硫化钼荧光量子产率低下，荧光光谱不可调节，不能直接制备二维半导体发光器件的问题。一种实现单层二硫化钼光学改性的方法是通过820nm飞秒脉冲激光照射单层二硫化钼晶体产生硫原子空位缺陷来提交单层二硫化钼的荧光量子产率。本发明是通过飞秒激光产生空位缺陷以束缚单层二硫化钼表面的电子，精确控制光致激子数目，从而实现了对单层二硫化钼荧光量子产率的提高和对荧光光谱的连续调节。

技术领域

本发明属于二维半导体材料和光学领域，涉及二维半导体材料光学改性的技术与装置，具体为一种通过飞秒脉冲激光照射实现单层二硫化钼的光学改性的方法及其装置，光学改性包括荧光量子产率的提高和荧光光谱的连续调节。

背景技术

近年来，二维材料因其具有单原子厚度的独特结构及其优越的物理化学性质，成为半导体和光学领域研究的新方向。过渡金属二硫化物二维半导体纳米材料，尤其是二硫化钼，是继石墨烯后又一类重要的二维半导体纳米材料；特别是二硫化钼在太阳光波段具有很强的吸收且具有极好的荧光发射特性，使其在新型二维发光器件的开发方面具有独特的优势。单层二维二硫化钼可以通过机械剥离二硫化钼体材料或者化学气相沉积获得。二硫化钼从体材料向二维材料过渡的过程中伴随着间接带隙向直接带隙的转变，导致单层二硫化钼的荧光相比于体材料有1万倍的增强。尽管如此，单层二硫化钼的荧光量子产率也仅为0.01%-0.1%，远低于常规半导体的量子产率，如GaAs的荧光量子产率可达70%-90%。此外，单层二硫化钼所发荧光的光谱受半导体能级带隙的限制而不具有大范围调制效应。单层二硫化钼如此低的荧光量子产率以及其不可调节的荧光光谱特性为设计基于单层二硫化钼的二维发光器件提出了重大挑战，因此实现单层二硫化钼的光学改性对制备基于单层二硫化钼的发光器件具有非常重要的应用价值和实际意义。

目前，常用的对单层二硫化钼光学改性的方法为掺杂法，包括化学掺杂p-型有机分子、高温以及等离子体预处理等。然而这些方法通常需要极端条件，如高温或者高真空；且对荧光量子产率增强的效果非常有限，通常只能达到3-5倍的荧光增强效果；且对增强的区域和程度具有随机性。此外，这些方法对单层二硫化钼荧光光谱的调节能力也极为有限，光谱调节范围至多在10nm。而且这些方法需要事先对单层二硫化钼进行比较复杂的预处理过程，通常需要一个小时以上才能完成。基于上述理由，有必要发明一种快速精确可控，且能极大增强单层二硫化钼发光效率和荧光光谱调节能力的方法，以实现制备基于单层二硫化钼的二维发光器件。

发明内容

本发明为了解决单层二硫化钼荧光量子产率低下和荧光光谱难以调节的问题，提供了一种通过飞秒激光快速可控实现单层二硫化钼光学改性的方法及其装置，实现了对单层二硫化钼荧光量子产率百倍以上的提升，还实现了对单层二硫化钼荧光光谱高达30nm的连续调节。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种脉冲激光照射单层二硫化钼实现光学改性的方法，包括以下步骤：

（1）、使用波长为405nm的连续激光器所发出的激光激发单层二硫化钼，获得飞秒激光照射前单层二硫化钼的荧光强度及荧光光谱；

（2）、使用波长为820nm的飞秒激光器产生脉冲激光，脉冲激光经显微镜物镜聚焦后照射位于Si/SiO₂表面的单层二硫化钼，照射时间为30毫秒；

（3）、再次使用波长为405nm的连续激光器所发出的激光激发单层二硫化钼，获得飞秒激光照射30毫秒后单层二硫化钼的荧光强度及荧光光谱；

（4）使用820nm的飞秒脉冲激光照射单层二硫化钼，照射时间从30毫秒连续变化到1000毫秒，通过改变照射时间的长短实现对单层二硫化钼荧光强度和荧光光谱的连续调节；