在材料科學(xué)的廣袤星空中，二硫化鎢（WS2）正逐漸嶄露頭角，成為備受矚目的材料新星。這種由鎢和硫兩種元素組成的化合物，以其獨特的晶體結(jié)構(gòu)和豐富的物理化學(xué)性質(zhì)，在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。從最初被發(fā)現(xiàn)具有出色的潤滑性能，到如今在光學(xué)、電學(xué)、催化等多個前沿領(lǐng)域的廣泛探索，WS2正不斷拓展著人們對材料性能的認知邊界。
二硫化鎢獨特的光學(xué)特性更是為其贏得了眾多科研人員的青睞。它的光吸收、光發(fā)射以及非線性光學(xué)等性質(zhì)，使其在光電探測器、發(fā)光二極管、光通信等光電器件中具有廣闊的應(yīng)用前景。這些光學(xué)特性不僅與材料本身的晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，還受到材料的層數(shù)、尺寸、缺陷等因素的顯著影響。通過對這些因素的精確調(diào)控，科研人員能夠?qū)崿F(xiàn)對WS2光學(xué)性能的優(yōu)化，從而滿足不同應(yīng)用場景的需求。
中鎢在線二硫化鎢圖片
一、獨特結(jié)構(gòu)：光學(xué)特性的基石
1.層狀結(jié)構(gòu)解析
二硫化鎢的晶體結(jié)構(gòu)豐富多樣，主要存在2H、3R和1T等相。其中，2H相是最為常見的穩(wěn)定相，具有六方對稱性。在2H相的二硫化鎢中，每個單元層呈現(xiàn)出“硫-鎢-硫（S-W-S）”的三明治結(jié)構(gòu)，即一層鎢原子被夾在上下兩層硫原子之間，層內(nèi)原子通過強共價鍵緊密結(jié)合，賦予了材料較高的層內(nèi)穩(wěn)定性。而層與層之間則依靠較弱的范德華力相互作用，這種相對較弱的層間作用力使得二硫化鎢能夠通過機械剝離或化學(xué)剝離等方法制備出單層或少層的二維材料。
3R相具有三方對稱性，其原子堆積序列與2H相不同，為A-B-C，這種結(jié)構(gòu)相對少見，但在某些物理特性上表現(xiàn)出獨特之處，例如其層間相對位移導(dǎo)致層間距變化，進而對材料的電子和光學(xué)性能產(chǎn)生影響。1T相表現(xiàn)為正交或三方對稱，具有金屬性質(zhì)，通常可通過化學(xué)摻雜或外部應(yīng)力誘導(dǎo)，從半導(dǎo)體相（如2H相）轉(zhuǎn)變而來，在這種結(jié)構(gòu)下，金屬原子在層內(nèi)的相對位置發(fā)生改變，層間距也有所降低。不同晶相的二硫化鎢在晶格常數(shù)、層間距等微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)上存在差異，這些差異進一步導(dǎo)致了材料宏觀性能的顯著不同。
2.結(jié)構(gòu)對光學(xué)特性的基礎(chǔ)作用
二硫化鎢這種獨特的層狀結(jié)構(gòu)為其光學(xué)特性奠定了堅實的物理基礎(chǔ)，深刻影響著光與材料的相互作用過程。由于層內(nèi)存在強共價鍵，電子被束縛在特定的原子周圍，形成了相對穩(wěn)定的電子云分布。當(dāng)光照射到二硫化鎢上時，光子能量與材料中的電子相互作用，引發(fā)電子躍遷。在單層WS2中，由于量子限域效應(yīng)顯著，電子的運動被限制在二維平面內(nèi)，使得電子-空穴對的束縛能增強，從而表現(xiàn)出與塊體材料不同的光吸收和發(fā)射特性。例如，單層二硫化鎢在可見光到近紅外光區(qū)域展現(xiàn)出強烈的光吸收能力，這主要源于其內(nèi)部復(fù)雜的電子躍遷機制，包括從價帶到導(dǎo)帶的直接躍遷以及與材料中的缺陷和雜質(zhì)相關(guān)的間接躍遷過程。
層間的范德華力雖然較弱，但在光與二硫化鎢的相互作用中也發(fā)揮著重要作用。它使得層與層之間的電子云存在一定程度的重疊，這種重疊影響了電子在層間的傳輸和激發(fā)態(tài)的壽命，進而對光發(fā)射等特性產(chǎn)生影響。此外，WS2的層狀結(jié)構(gòu)還賦予了材料各向異性的光學(xué)性質(zhì)。在平面內(nèi)（ab面），由于層內(nèi)原子排列的有序性和強共價鍵的作用，光的傳播和相互作用表現(xiàn)出特定的方向性；而在層與層之間的方向（c軸），由于范德華力的存在，光學(xué)性質(zhì)與平面內(nèi)有所不同。這種各向異性的光學(xué)性質(zhì)在一些光學(xué)器件應(yīng)用中具有重要價值，例如可以用于制備偏振敏感的光電器件。
二、探秘光學(xué)特性
1.光吸收特性
二硫化鎢在可見光到近紅外光區(qū)域展現(xiàn)出廣泛的光吸收能力，這使其在眾多光學(xué)應(yīng)用中脫穎而出。這種寬帶吸收特性主要源于其內(nèi)部復(fù)雜的電子躍遷機制。在二硫化鎢中，電子存在著從價帶到導(dǎo)帶的直接躍遷過程，當(dāng)光子的能量與價帶和導(dǎo)帶之間的能量差相匹配時，光子被吸收，電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶，形成電子-空穴對。材料中的缺陷和雜質(zhì)也會引入額外的能級，導(dǎo)致電子通過與這些缺陷和雜質(zhì)相關(guān)的間接躍遷過程吸收光子。這些間接躍遷過程使得二硫化鎢能夠吸收更廣泛波長范圍的光，從而實現(xiàn)寬帶吸收。
二硫化鎢的光吸收能力與其層數(shù)密切相關(guān)，呈現(xiàn)出獨特的層數(shù)依賴特性。隨著層數(shù)的減少，量子限域效應(yīng)顯著增強。在塊體二硫化鎢中，電子在三維空間中運動，受到的限制較小。而當(dāng)層數(shù)逐漸減少，特別是到單層時，電子被限制在二維平面內(nèi)運動，其波函數(shù)的空間分布發(fā)生變化，電子與空穴的束縛能增大。這種量子限域效應(yīng)導(dǎo)致吸收光譜發(fā)生藍移，即吸收峰向短波長方向移動。例如，單層WS2納米片相比多層結(jié)構(gòu)在可見光區(qū)域的吸收更強，這是由于單層結(jié)構(gòu)中電子與空穴的束縛能更大，能夠更高效地吸收光子能量。研究表明，通過精確控制二硫化鎢的層數(shù)，可以實現(xiàn)對其光吸收特性的精準(zhǔn)調(diào)控，為滿足不同光學(xué)應(yīng)用場景的需求提供了可能。
2.光發(fā)射特性
在特定條件下，二硫化鎢能夠產(chǎn)生熒光發(fā)射現(xiàn)象，這為其在熒光成像、發(fā)光二極管等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)二硫化鎢受到光激發(fā)時，電子從價帶躍遷至導(dǎo)帶，形成電子-空穴對。這些電子-空穴對處于激發(fā)態(tài)，具有較高的能量，是不穩(wěn)定的。隨后，電子和空穴通過復(fù)合過程釋放能量，以光子的形式發(fā)射出來，從而產(chǎn)生熒光。其熒光發(fā)射峰通常位于可見光區(qū)域，且發(fā)射峰的位置與材料的層數(shù)密切相關(guān)。隨著層數(shù)的變化，二硫化鎢的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，導(dǎo)致電子-空穴對的復(fù)合能量發(fā)生變化，進而使熒光發(fā)射峰的位置發(fā)生移動。單層WS2納米片的熒光量子效率較高，這意味著它能夠更有效地將吸收的光能轉(zhuǎn)化為熒光發(fā)射出來，在熒光成像中可以提供更清晰、更靈敏的信號，在發(fā)光二極管中則可以實現(xiàn)更高效率的發(fā)光，具有顯著的應(yīng)用潛力。
二硫化鎢在電場作用下能夠?qū)崿F(xiàn)電致發(fā)光，這一特性為其在顯示技術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了新的道路。通過將WS2納米片與電極等材料集成，構(gòu)建合適的器件結(jié)構(gòu)，當(dāng)電流通過時，電子和空穴在納米片中注入并復(fù)合，從而產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。在這種電致發(fā)光過程中，外部電場提供能量，促使電子從電極注入到二硫化鎢的導(dǎo)帶，同時空穴從另一電極注入到價帶。注入的電子和空穴在二硫化鎢內(nèi)部相遇并復(fù)合，釋放出光子，實現(xiàn)電致發(fā)光。與傳統(tǒng)的發(fā)光材料相比，二硫化鎢的電致發(fā)光具有響應(yīng)速度快、能耗低等優(yōu)點，有望在未來的顯示技術(shù)中發(fā)揮重要作用。例如，可用于制備新型的柔性顯示屏幕，實現(xiàn)可彎曲、可折疊的顯示設(shè)備。
3.非線性光學(xué)特性
二硫化鎢表現(xiàn)出顯著的非線性飽和吸收特性，在強光照射下，其吸收系數(shù)會隨著光強的增加而逐漸降低，表現(xiàn)出飽和吸收行為。當(dāng)光強較低時，WS2按照線性光學(xué)規(guī)律吸收光子，吸收系數(shù)保持相對穩(wěn)定。隨著光強不斷增加，材料中的電子被大量激發(fā)到高能級，使得低能級的電子數(shù)量減少，能夠吸收光子的電子態(tài)密度降低。此時，材料對光的吸收能力逐漸達到飽和，吸收系數(shù)下降。這種飽和吸收特性使其能夠作為可飽和吸收體應(yīng)用于超快激光技術(shù)中。在超快激光系統(tǒng)中，可飽和吸收體用于實現(xiàn)激光的鎖模和脈沖壓縮等功能。通過將WS2可飽和吸收體引入激光諧振腔，它可以選擇性地吸收低強度的背景光，而對高強度的激光脈沖幾乎不吸收。這樣，只有高強度的激光脈沖能夠在諧振腔內(nèi)不斷振蕩和放大，最終實現(xiàn)鎖模，產(chǎn)生超短脈沖激光。
由于二硫化鎢的晶體結(jié)構(gòu)具有較低的對稱性，其還具備二次諧波產(chǎn)生的非線性光學(xué)效應(yīng)。在高強度激光的作用下，WS2納米片能夠?qū)⑷肷涔獾念l率加倍，產(chǎn)生二次諧波信號。當(dāng)一束頻率為ω的激光入射到二硫化鎢上時，材料中的電子在光場的作用下發(fā)生非線性極化。這種非線性極化導(dǎo)致材料產(chǎn)生一個頻率為(2ω的極化波，進而輻射出頻率為 2ω的二次諧波光。這種特性在非線性光學(xué)成像、光通信等領(lǐng)域具有重要的潛在應(yīng)用價值。在非線性光學(xué)成像中，利用二硫化鎢的二次諧波產(chǎn)生特性，可以實現(xiàn)對生物組織、材料微觀結(jié)構(gòu)等的高分辨率成像。在光通信中，二次諧波產(chǎn)生可用于光頻率轉(zhuǎn)換，拓展光通信的波段范圍，提高通信容量。
三、應(yīng)用領(lǐng)域大放異彩
1.光電探測器
在光電探測器領(lǐng)域，二硫化鎢憑借其獨特的光學(xué)特性展現(xiàn)出卓越的性能。其高效的光-電轉(zhuǎn)換能力基于光吸收產(chǎn)生電子-空穴對的過程。當(dāng)光照射到二硫化鎢上時，光子被吸收，激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對。這些光生載流子在電場作用下定向移動，形成光電流，從而實現(xiàn)光信號到電信號的轉(zhuǎn)換。二硫化鎢在光吸收方面具有寬帶特性，能夠吸收從可見光到近紅外光區(qū)域的廣泛波長范圍的光。這使得基于二硫化鎢的光電探測器可以對不同波長的光信號進行有效探測，大大拓展了其應(yīng)用范圍。例如，在環(huán)境監(jiān)測中，可用于檢測不同波長的有害氣體吸收光譜，實現(xiàn)對多種污染物的快速檢測；在生物醫(yī)學(xué)成像中，能探測生物組織在不同波長下的熒光信號，輔助疾病診斷。
科研人員在二硫化鎢光電探測器的研究中取得了一系列重要成果。中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院劉飛教授和佘峻聰教授研究組基于單層二硫化鎢微針尖，設(shè)計出一種新型的平面場發(fā)射型可見光探測器件。通過優(yōu)化針尖頂角、針尖陣列間距以及陰陽極距離等結(jié)構(gòu)參數(shù)，該器件表現(xiàn)出優(yōu)異的場發(fā)射特性及光響應(yīng)特性。實驗數(shù)據(jù)顯示，單層\(WS_2\)三針尖器件的最大場發(fā)射電流密度可達52Acm?2(@300Vμm?1)，在綠光輻照下三針尖器件的最大光響應(yīng)度為6.8×105AW?1，而對應(yīng)的光響應(yīng)時間為6.7s。這種高性能的光電探測器在圖像傳感、光通信等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。
電子器件圖片
2.太陽能電池
在太陽能電池領(lǐng)域，二硫化鎢的應(yīng)用為提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率提供了新的思路和途徑。二硫化鎢在太陽能電池中主要通過優(yōu)化光吸收和電荷傳輸過程來提升電池性能。在光吸收方面，二硫化鎢的寬帶光吸收特性使其能夠充分吸收太陽光中的不同波長的光子。從可見光到近紅外光區(qū)域的有效吸收，增加了光生載流子的產(chǎn)生數(shù)量，為后續(xù)的電荷傳輸和電流形成提供了更多的載流子來源。例如，在一些研究中，將二硫化鎢作為光活性層引入太陽能電池結(jié)構(gòu)中，與傳統(tǒng)的太陽能電池材料相比，顯著提高了對太陽光的吸收效率。
在電荷傳輸方面，二硫化鎢的二維層狀結(jié)構(gòu)為電荷傳輸提供了良好的通道。層內(nèi)的強共價鍵使得電子在層內(nèi)能夠快速傳輸，減少了電荷復(fù)合的概率。而且，通過合理設(shè)計太陽能電池的結(jié)構(gòu)，將二硫化鎢與其他材料進行復(fù)合或構(gòu)建異質(zhì)結(jié)，可以進一步優(yōu)化電荷傳輸路徑，提高電荷的收集效率。比如，在鈣鈦礦太陽能電池中，將二硫化鎢作為能帶匹配優(yōu)良的中間層，能夠有效提升電池的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。實驗結(jié)果表明，引入二硫化鎢中間層后，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率得到了顯著提高，同時電池的穩(wěn)定性也有所增強。這是因為二硫化鎢與鈣鈦礦之間形成了良好的界面接觸，促進了電荷的分離和傳輸，減少了界面處的電荷復(fù)合。
太陽能電池圖片
3.光學(xué)傳感器
基于二硫化鎢的光學(xué)傳感器在生物、化學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特的應(yīng)用價值。在生物領(lǐng)域，利用二硫化鎢與生物分子相互作用產(chǎn)生的光學(xué)信號變化，可實現(xiàn)對生物分子的高靈敏檢測。當(dāng)二硫化鎢與生物分子特異性結(jié)合時，其光學(xué)性質(zhì)會發(fā)生改變，如熒光強度、光吸收等。研究人員通過檢測這些光學(xué)信號的變化，能夠準(zhǔn)確地識別和定量分析生物分子。例如，二硫化鎢量子點（WS2-QD）可作為多巴胺（DA）熒光檢測的有效探針，被應(yīng)用于結(jié)腸癌評估，檢測血清樣品中的c-Met蛋白。在這個過程中，WS2-QD與c-Met蛋白特異性結(jié)合后，其熒光信號發(fā)生變化，通過檢測熒光強度的變化即可實現(xiàn)對c-Met蛋白的定量檢測。
在化學(xué)領(lǐng)域，二硫化鎢光學(xué)傳感器可用于檢測各種化學(xué)物質(zhì)，如環(huán)境污染物質(zhì)、生物毒素等。由于二硫化鎢對某些化學(xué)物質(zhì)具有特殊的吸附或化學(xué)反應(yīng)特性，導(dǎo)致其光學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。通過監(jiān)測這些光學(xué)變化，能夠?qū)崿F(xiàn)對化學(xué)物質(zhì)的快速檢測和分析。例如，基于二硫化鎢的化學(xué)傳感器可以檢測甲醛、氮氧化物等環(huán)境污染物質(zhì)。當(dāng)這些污染物與二硫化鎢接觸時，會引起二硫化鎢的電子結(jié)構(gòu)變化，進而導(dǎo)致其光吸收或熒光發(fā)射特性改變。通過檢測這些光學(xué)特性的變化，就可以實現(xiàn)對污染物的高靈敏度檢測。這種傳感器具有響應(yīng)速度快、檢測限低、選擇性好等優(yōu)點，在環(huán)境監(jiān)測、食品安全檢測等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
4.其他潛在應(yīng)用
在顯示技術(shù)方面，二硫化鎢的電致發(fā)光特性使其有望成為新型顯示材料。通過將二硫化鎢與合適的電極和封裝材料集成，可以制備出具有高亮度、低能耗、快速響應(yīng)等優(yōu)點的發(fā)光二極管。這種新型的發(fā)光二極管可用于制備柔性顯示屏幕，實現(xiàn)可彎曲、可折疊的顯示設(shè)備。與傳統(tǒng)的液晶顯示技術(shù)相比，基于二硫化鎢的顯示技術(shù)具有更好的柔韌性和對比度，能夠滿足未來電子設(shè)備對顯示技術(shù)的多樣化需求。
在熒光成像領(lǐng)域，二硫化鎢的熒光發(fā)射特性為生物醫(yī)學(xué)成像提供了新的工具。其高熒光量子效率和獨特的熒光發(fā)射峰位置，使其能夠在生物組織中實現(xiàn)高分辨率的成像。研究人員可以利用二硫化鎢的熒光成像技術(shù)，對生物體內(nèi)的細胞、組織和器官進行實時監(jiān)測和分析，輔助疾病的早期診斷和治療。
在光通信領(lǐng)域，二硫化鎢的非線性光學(xué)特性，如二次諧波產(chǎn)生等，可用于光頻率轉(zhuǎn)換和光信號處理。通過將二硫化鎢集成到光通信器件中，可以實現(xiàn)光通信波段的拓展和通信容量的提高。在未來的高速光通信網(wǎng)絡(luò)中，二硫化鎢有望發(fā)揮重要作用，推動光通信技術(shù)的進一步發(fā)展。
