材料的表面态具有特别的物理和化学性质，凝聚态材料的表面态一直是研究的焦点。其中，二维过渡金属硫属化合物（tmdc）的边缘状态也被广泛研究，研究发现其具有边缘导电、边缘等离子体、自旋保护传输以及高催化活性等性质，这些优异的性能表现加深了tmdc基础研究，丰富了其应用前景。边缘电子态的亚带隙分布、金属带、自旋非简并等部分特征已经被研究，而它们的动力学尚未被完全理解，特别是边缘状态如何以及如何快速填充，它们如何有助于整体电荷传输和重组？解决这些问题对于优化和扩展tmdc应用至关重要，然而微弱的边缘信号通常会被内部背景淹没或受到边缘杂质干扰，需要极度暴露和干净的边缘结构，因此研究仍然存在挑战。
研究团队使用球磨产生的10 nm mos2纳米片，该方法产生的纳米片尺寸均一，更重要的是具有洁净的高锯齿形暴露边缘。结合电子能量损失光谱（eels）和第一性原理计算，研究预测了亚带隙边缘态吸收覆盖范围为1.23 ev至1.78 ev，同时揭示了边缘态粒子和与激子的竞争，由于纳米尺寸，这些纳米片具有高度暴露的边缘，约占片面积的11%，便于边缘状态的直接瞬态吸收（ta）研究。在1.87 ev能量激发下，光激发激子首先通过带间填充并很快在约0.40 ps内解离成边缘电子态过渡。在低于带隙激发的情况下，由于通过非绝热耦合（nac）分析减少了带内轨道耦合，边缘态的布居时间更长，最高可达1.0 ps。泵浦能量依赖ta数据揭示了空穴的带间跃迁速率决定了边缘态的产生。边缘态的形成过程分别受到了带间跃迁和带内驰豫的调控，在高于带隙时激发，存在带间跃迁决定的0.4 ps超快激子解离动力学过程；低于带隙能量激发时，边缘态能带上的驰豫决定了边缘态的形成。团队还研究了激子输运对边缘态种群动力学的影响。此外，研究团队发现，边缘状态引入了边界上的外部电位梯度，终止了激子从内部的激子扩散传输。研究通过测量激子解离寿命作为纳米片横向尺寸的函数，提取激子扩散系数为86.7 cm2/s，进一步证实了边界阻挡激子扩散。这项研究从能量、时间和空间角度扩展了对tmdc半导体边缘态动力学的理解，为边缘态操纵和器件优化提供了途径。
研究工作得到中科院战略性先导科技专项（b类），科学技术部重点研发计划，中科院仪器开发项目，国家自然科学基金，洁净能源国家实验室（dnl）合作基金等项目的支持。
图1 mos2纳米片单颗粒的边缘态eels测量（a）典型10nm mos2纳米片haadf-tem图像；(b)eels测量原理示意图；（c)mos2纳米片内部和边缘位置的eels，mos2纳米片的光吸收作为参考；(d) mos2边缘态的能带结构和总电子态密度电子带结构。
图2(a)mos2激子态和边缘态的能级结构图；(b)具有1.87 ev激发（与a激子共振）和4.0μj/cm2功率激发的ta光谱的二维伪彩色图；(c)激子态（记为ex）和边缘态（记为es）通过svd及其全局拟合的时间变化过程，插图突出了边缘状态和激子之间的相关上升和衰减过程。
图3能量依赖边缘态动力学。(a)激子态（记为ex）和边缘态（记为es）的k-s轨道耦合的nac矩阵；(b)依赖于激发能量的激子衰减动力学，对应于边缘状态的形成；(c)边缘态形成寿命作为泵浦能量的函数。
图4扩散受限边缘状态形成。(a)dft计算了整个纳米片的局部电位分布；(b)激子解离作为纳米片平均尺寸的函数；(c)激子寿命与纳米片横向尺寸平方的关系，展示了扩散引起的线性依赖性，扩散系数为86.7 cm2/s，分别通过扩散模型拟合和蒙特卡罗方法的随机游走模拟进行了验证。
研究团队单位：国家纳米科学中心
