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

卢浩然，魏雅清,2，龙闰,2,＊

1北京师范大学化学学院，北京 100875

2北京师范大学教育部理论与计算光化学重点实验室，北京 100875

1 引言

近年来，石墨烯和过渡金属硫化物等二维光电材料受到广泛关注。然而石墨烯的零带隙特性使其无法实现逻辑开关，难以在逻辑电路上应用1；而过渡金属硫化物载流子迁移率较低，使其在光电领域的应用受到限制2。与之相比，黑磷具有直接带隙，且载流子迁移率高，引起了人们的极大关注。黑磷是通过层内强sp3杂化共价键和层间弱范德华力构成有序排列的二维层状材料，其具依层数可调节的直接带隙3-7，高度的各向异性3,4和极高的电荷迁移率5,8。黑磷带隙大小随层数减小而增加，层数大于5及块体黑磷的带隙为0.3-0.35 eV，层数小于5时带隙在0.9-1.3 eV6之间，两层时带隙增约为1.36 eV，单层黑磷(monolayer black phosphorus，MBP)也称为磷烯，其带隙可达2.0 eV7。黑磷具有高度各向异性，能够产生晶向依赖的电光导效应，是制造中红外偏振器和偏振传感器的天然材料3。黑磷在室温下的理论电荷迁移率高达10000 cm2·V-1·s-15，实验值也达到了1000 cm2·V-1·s-18，远高于其他二维半导体材料(如二硫化钼，200 cm2·V-1·s-19)。特别地，由于二维黑磷具有良好的电流饱和效应和量子霍尔效应10，具有丰富的电子能带结构11，对紫外光、可见光和近红外光都有着极高的响应度，使得磷烯在光学12、电荷运输13和热电14等领域有着广阔的应用前景。

尽管黑磷具有以上优点，但黑磷的实际应用仍受到一些因素的影响。根据Shockley-Queisser极限效率15可知，单节p-n结太阳能电池光-电转换过程中，未被吸收或者以热量形式散失的能量约占66.3%，其中非辐射电子-空穴复合导致的电荷和能量损失的主要途径。……