異次元の世界へ:ナノスケールの三層膜が半導体材料の超高速電荷移動を示す(Into Another Dimension: Nanoscale Trilayer Exhibits Ultrafast Charge Transfer in Semiconductor Materials)

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2024-07-17 米国国立再生可能エエネルギー研究所(NREL)

光電子半導体デバイスの革新には、電子と正孔(エキシトン)を特定の方向に移動させることが重要です。NRELの研究者たちは、自然の光合成から着想を得て、エキシトンの解離を可能にする混合次元性(2D/1D/2D)トリレイヤーを開発しました。このトリレイヤーは、光活性化によって生成された電子と正孔を分離し、長時間保持する能力を持っています。研究では、単層カーボンナノチューブ(SWCNT)を中間層として使用し、光誘起電荷移動カスケードを実現しました。これにより、エキシトンの解離と長寿命の電荷分離が可能となり、光電変換効率が向上しました。この発見は、光合成を模倣した電荷移動カスケードが、より高効率な光電変換システムの開発に寄与する可能性を示しています。研究結果は『ACS Nano』に発表されました。

<関連情報>

混合次元ナノスケール三層膜における超高速電荷移動カスケード Ultrafast Charge Transfer Cascade in a Mixed-Dimensionality Nanoscale Trilayer

Alexis R. Myers, Zhaodong Li, Melissa K. Gish, Justin D. Earley, Justin C. Johnson, M. Alejandra Hermosilla-Palacios, and Jeffrey L. Blackburn
ACS Nano  Published:March 11, 2024
DOI:https://doi.org/10.1021/acsnano.3c12179

Abstract

異次元の世界へ:ナノスケールの三層膜が半導体材料の超高速電荷移動を示す(Into Another Dimension: Nanoscale Trilayer Exhibits Ultrafast Charge Transfer in Semiconductor Materials)

Innovation in optoelectronic semiconductor devices is driven by a fundamental understanding of how to move charges and/or excitons (electron–hole pairs) in specified directions for doing useful work, e.g., for making fuels or electricity. The diverse and tunable electronic and optical properties of two-dimensional (2D) transition metal dichalcogenides (TMDCs) and one-dimensional (1D) semiconducting single-walled carbon nanotubes (s-SWCNTs) make them good quantum confined model systems for fundamental studies of charge and exciton transfer across heterointerfaces. Here we demonstrate a mixed-dimensionality 2D/1D/2D MoS2/SWCNT/WSe2 heterotrilayer that enables ultrafast photoinduced exciton dissociation, followed by charge diffusion and slow recombination. Importantly, the heterotrilayer serves to double charge carrier yield relative to a MoS2/SWCNT heterobilayer and also demonstrates the ability of the separated charges to overcome interlayer exciton binding energies to diffuse from one TMDC/SWCNT interface to the other 2D/1D interface, resulting in Coulombically unbound charges. Interestingly, the heterotrilayer also appears to enable efficient hole transfer from SWCNTs to WSe2, which is not observed in the identically prepared WSe2/SWCNT heterobilayer, suggesting that increasing the complexity of nanoscale trilayers may modify dynamic pathways. Our work suggests ”mixed-dimensionality” TMDC/SWCNT based heterotrilayers as both interesting model systems for mechanistic studies of carrier dynamics at nanoscale heterointerfaces and for potential applications in advanced optoelectronic systems.

0403電子応用
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