物理化学学报 >> 2022, Vol. 38 >> Issue (5): 2006064.doi: 10.3866/PKU.WHXB202006064
收稿日期:
2020-06-24
录用日期:
2020-07-25
发布日期:
2020-08-04
通讯作者:
龙闰
E-mail:runlong@bun.edu.cn
基金资助:
Haoran Lu1, Yaqing Wei1,2, Run Long1,2,*()
Received:
2020-06-24
Accepted:
2020-07-25
Published:
2020-08-04
Contact:
Run Long
E-mail:runlong@bun.edu.cn
About author:
Run Long, Email: runlong@bun.edu.cn; Tel.: +86-10-58806786Supported by:
摘要:
通常认为缺陷加速黑磷的非辐射电子-空穴复合,阻碍器件性能的持续提高。实验打破了这一认识。采用含时密度泛函理论结合非绝热分子动力学,我们发现P-P伸缩振动驱动非辐射电子-空穴复合,使纳米孔修饰的单层黑磷的激发态寿命比完美体系延长了约5.5倍。这主要归因于三个因素。一,纳米孔结构不但没有在禁带中引入深能级缺陷,而且由于价带顶下移使带隙增加了0.22 eV。二,除了带隙增加,纳米孔减小了电子和空穴波函数重叠,并抑制了原子核热运动,从而使非绝热耦合降低至完美体系的约1/2。三,退相干时间比完美体系延长了1.5倍。前两个因素战胜了第三个因素,使纳米孔结构激发态寿命延长至2.74 ns,而其在完美体系中约为480 ps。我们的研究表明可以制造合理数量和形貌的缺陷,如纳米孔,降低黑磷非辐射电子-空穴复合,提高光电器件效率。这一研究对于理解和调控黑磷和其它二维材料的激发态性质有重要意义。
MSC2000:
卢浩然, 魏雅清, 龙闰. 纳米孔缺陷导致单层黑磷电荷局域极大抑制非辐射电子-空穴复合的时域模拟[J]. 物理化学学报, 2022, 38(5): 2006064.
Haoran Lu, Yaqing Wei, Run Long. Charge Localization Induced by Nanopore Defects in Monolayer Black Phosphorus for Suppressing Nonradiative Electron-Hole Recombination through Time-Domain Simulation[J]. Acta Phys. -Chim. Sin., 2022, 38(5): 2006064.
1 |
Fuhrer M. ; Hone J. Nat. Nanothchnol. 2013, 8, 146.
doi: 10.1038/nnano.2013.30 |
2 |
Ma N. ; Jena D. Phys. Rev. X 2014, 4, 011043.
doi: 10.1103/PhysRevX.4.011043 |
3 |
Xia F. ; Wang H. ; Jia Y. Nat. Commun. 2014, 5, 4458.
doi: 10.1038/ncomms5458 |
4 |
Mao N. ; Wang X. ; Lin Y. ; Sumpter B. G. ; Ji Q. ; Palacios T. ; Huang S. ; Meunier V. ; Dresselhaus M. S. ; Tisdale W. A. ; et al J. Am. Chem. Soc. 2019, 4, 18994.
doi: 10.1021/jacs.9b07974 |
5 |
Qiao J. ; Kong X. ; Hu Z. -X. ; Yang F. ; Ji W. Nat. Commun. 2014, 5, 4475.
doi: 10.1038/ncomms5475 |
6 |
Tran V. ; Soklaski R. ; Liang Y. F. ; Yang L. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2014, 89, 235319.
doi: 10.1103/PhysRevB.89.235319 |
7 |
Liang L. ; Wang J. ; Lin W. ; Sumpter B. G. ; Meunier V. ; Pan M. Nano Lett. 2014, 14, 6400.
doi: 10.1021/nl502892t |
8 |
Li L. K. ; Yu Y. J. ; Ye G. J. Nat. Nanotechnol. 2014, 9, 372.
doi: 10.1038/nnano.2014.35 |
9 | Tang P. ; Xiao J. J. ; Zheng C. ; Wang S. ; Chen R. F. Acta Phys. -Chim. Sin. 2013, 29, 667. |
汤鹏; 肖坚坚; 郑超; 王石; 陈润锋. 物理化学学报, 2013, 29, 667.
doi: 10.3866/PKU.WHXB201302062 |
|
10 |
Li L. ; Yang F. ; Ye G. J. ; Zhang Z. ; Lou W. ; Zhou X. ; Li L. ; Watanabe K. ; Taniguchi T. ; Chang K. ; et al Nat. Nanotechnol. 2016, 11, 593.
doi: 10.1038/nnano.2016.42 |
11 |
Fei R. ; Yang L. Nano Lett. 2014, 14, 2884.
doi: 10.1021/nl500935z |
12 |
Wang X. ; Lan S. Adv. Opt. Photon. 2016, 8, 618.
doi: 10.1364/aop.8.000618 |
13 |
Xu Y. ; Dai J. ; Zeng X. C. Phys. Chem. Lett. 2015, 6 1996, 6, 1996.
doi: 10.1021/acs.jpclett.5b00510 |
14 |
Fei R. ; Faghaninia A. ; Soklaski R. ; Yan J. A. ; Lo C. ; Yang L. Nano Lett. 2014, 14, 6393.
doi: 10.1021/nl502865s |
15 |
Shockley W. ; Queisser H. J. J. Appl. Phys. 1961, 32, 510.
doi: 10.1063/1.1736034 |
16 |
He J. ; He D. ; Wang Y. ; Cui Q. ; Belllus M. Z. ; Chiu H.-Y. ; Zhao H. ACS Nano 2015, 9, 6436.
doi: 10.1021/acsnano.5b02104 |
17 |
Suess R. ; Jadidi M. M. ; Murphy T. E. ; Mittendorff M. Appl. Phys. Lett. 2015, 107, 081103.
doi: 10.1063/1.4929403 |
18 |
Peymon Z. ; Wei Y. ; Frank C. ; Matthew Z. B. ; Samuel D. L. ; Pan S. ; Long R. ; Zhao H. Nanoscale 2018, 10, 11307.
doi: 10.1039/C8NR02540A |
19 |
Long R. ; Fang W. H. ; Alexey V. A. J. Phys. Chem. Lett. 2016, 7, 653.
doi: 10.1021/acs.jpclett.6b00001 |
20 |
Zhang L. ; Chu W. ; Zheng Q. ; Alexander V. B. ; Oleg V. P. ; Jin Z. J. Phys. Chem. Lett. 2019, 10, 6151.
doi: 10.1021/acs.jpclett.9b02620 |
21 |
Guo H. ; Chu W. ; Zheng Q. ; Zhao J. J. Chem. Lett. 2020, 11, 4662.
doi: 10.1021/acs.jpclett.0c01300 |
22 |
Cupo A. ; Das P. M. ; Chien C. C. ; Danda G. ; Kharche N. ; Tristant D. ; Drndic M. ; Meunier V. ACS Nano 2017, 11, 7494.
doi: 10.1021/acsnano.7b04031 |
23 |
Thomas L. H. Proc. Cambridge Phil. Soc. 1927, 33, 542.
doi: 10.1017/S0305004100011683 |
24 |
Kohn W. ; Sham L. J. Phys. Rev. 1965, 4A, 1133.
doi: 10.1103/physrev.140.a1133 |
25 |
Long R. ; Oleg V. P. ACS Nano 2015, 11, 11143.
doi: 10.1021/acsnano.5b05843 |
26 |
Akimov A. V. ; Prezhdo O. V. J. Chem. Theor. Comp. 2014, 10, 789.
doi: 10.1021/ct400934c |
27 |
Jaeger H. M. ; Fischer S. ; Prezhdo O. V. J. Chem. Phys. 2012, 137, 22A545.
doi: 10.1063/1.4757100 |
28 |
John C. T. J. Chem. Phys. 1990, 93, 1061.
doi: 10.1063/1.459170 |
29 |
Prezhdo O. V. ; Rossky P. J. J. Chem. Phys. 1997, 107, 5863.
doi: 10.1063/1.474312 |
30 |
Akimov A. V. ; Prezhdo O. V. J. Chem. Theory Comput. 2013, 9, 4959.
doi: 10.1021/ct400641n |
31 |
Hammes-Schiffer S. ; John C. T. J. Chem. Phys. 1994, 101, 4657.
doi: 10.1063/1.467455 |
32 |
Li L. ; Long R. ; Bertolini T. ; Prezhdo O. V. Nano Lett. 2017, 17, 7962.
doi: 10.1021/acs.nanolett.7b04374 |
33 |
Skinner J. Annu. Rev. Phys. Chem. 1988, 39, 463.
doi: 10.1146/annurev.pc.39.100188.002335 |
34 |
Kresse G. ; Furthmuller J. Phys. Rev. B 1996, 54, 11169.
doi: 10.1103/physrevb.54.11169 |
35 |
Perdew J. P. ; Burke K. ; Ernzerhof M. Phys. Lett. 1996, 77, 3865.
doi: 10.1103/PhysRevLett.77.3865 |
36 |
Blochl P. E. Phys. Rev. B 1994, 50, 17953.
doi: 10.1103/PhysRevB.50.17953 |
37 |
Monkhorst H. J. ; Pack J. D. Phys. Rev. B 1976, 13, 5188.
doi: 10.1103/PhysRevB.13.5188 |
38 |
Liu H. ; Neal A. T. ; Zhu Z. ; Luo Z. ; Xu X. ; Tomanek D. ; Ye P. D. ACS Nano 2014, 8, 4033.
doi: 10.1021/nn501226z |
39 |
Liu Y. ; Xu F. ; Zhang Z. ; Penev E. S. ; Yakobson B. I. Nano Lett. 2012, 14, 6782.
doi: 10.1021/nl5021393 |
40 |
Wang X. ; Jones A. M. ; Seyler K. L. ; Vy T. ; Jia Y. ; Zhao H. ; Wang H. ; Yang L. ; Xu X. ; Xia F. Nat. Nanotechnol. 2015, 10, 517.
doi: 10.1038/nnano.2015.71 |
41 |
Bray A. J. ; Moore M. A. Phys. Rev. Lett. 1982, 49, 1545.
doi: 10.1103/PhysRevLett.49.1545 |
42 |
Prezhdo O. V. Phys. Rev. Lett. 2000, 85, 4413.
doi: 10.1103/PhysRevLett.85.4413 |
43 |
Prezhdo O. V. ; Rossky P. J. Phys. Rev. Lett. 1998, 81, 5294.
doi: 10.1103/PhysRevLett.81.5294 |
44 |
Englman R. ; Jortner J. J. Lumin. 1970, 1, 134.
doi: 10.1016/0022-2313(70)90029-3 |
45 |
Prezhdo O. V. ; Rossky P. J. J. Chem. Phys. 1997, 107, 5863.
doi: 10.1063/1.474312 |
[1] | 孙海涛,钟成,孙真荣. 最优化“调控”区间分离密度泛函理论的研究进展[J]. 物理化学学报, 2016, 32(9): 2197 -2208 . |
[2] | 尹海峰. 硅烯量子点二聚物的等离激元激发[J]. 物理化学学报, 2016, 32(6): 1446 -1452 . |
[3] | 郑东,袁相爱,马晶. 邻位甲基红水溶液的光谱性质随pH值的变化:含时密度泛函理论计算与实验研究[J]. 物理化学学报, 2016, 32(1): 290 -300 . |
[4] | 叶传香,马会利,梁万珍. 几个荧光蛋白发色团双光子吸收性质的理论研究[J]. 物理化学学报, 2016, 32(1): 301 -312 . |
[5] | 侯丽梅,温智,李银祥,胡华友,阚玉和,苏忠民. 含中氮茚有机太阳能电池染料敏化剂的分子设计[J]. 物理化学学报, 2015, 31(8): 1504 -1512 . |
[6] | 尹海峰, 向功周, 岳莉, 张红. 硅烯量子点的等离激元激发[J]. 物理化学学报, 2015, 31(1): 67 -72 . |
[7] | 尹海峰, 张红, 岳莉. 氮掺杂六角石墨烯纳米结构的近红外等离激元研究[J]. 物理化学学报, 2014, 30(6): 1049 -1054 . |
[8] | 孙进, 梁万珍. 石墨烯条带的电子结构与性质:电场及长度效应[J]. 物理化学学报, 2014, 30(3): 439 -445 . |
[9] | 陈喜明, 贾春阳, 万中全, 姚小军. 四硫富瓦烯作为染料敏化太阳能电池有机染料电子给体的理论研究[J]. 物理化学学报, 2014, 30(2): 273 -280 . |
[10] | 凌欢欢, 李楠, 杨帆, 吉昕, 夏勇, 曹都, 祁争健. 新型2-取代苯基-1H-咪唑[4,5-f][1,10]邻菲啰啉基Ru(II)配合物的光电性质[J]. 物理化学学报, 2013, 29(11): 2465 -2474 . |
[11] | 周丹红, 李苗苗, 崔俐丽. 用于监控过氧化氮的近红外荧光探针的光物理性质及PET机理[J]. 物理化学学报, 2013, 29(07): 1453 -1460 . |
[12] | 崔俐丽, 周丹红, 李苗苗. 红移型Cu(II)离子比率荧光探针的光物理性质[J]. 物理化学学报, 2013, 29(04): 745 -753 . |
[13] | 王凤娇, 周丹红, 左士颖, 曹建芳, 彭孝军. 氟硼二吡咯类pH荧光探针PET光谱特性的理论计算[J]. 物理化学学报, 2012, 28(07): 1645 -1650 . |
[14] | 刘小君, 林涛, 蔡新晨, 高少伟, 杨磊, 马睿, 张晋悦. 态定(线性响应)-极化连续模型/含时密度泛函方法研究一种有机发光材料的吸收和发射光谱[J]. 物理化学学报, 2012, 28(06): 1329 -1336 . |
[15] | 刘小君, 林涛, 高少伟, 马睿, 张晋悦, 蔡新晨, 杨磊, 滕枫. 用含时密度泛函方法研究和设计推拉结构的荧光分子[J]. 物理化学学报, 2012, 28(06): 1337 -1346 . |
|