硫化亚铂表面态辅助载流子复合及其光学非线性特性研究获进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所微纳光电子功能材料实验室研究员王俊团队在二维非层状半导体硫化亚铂（PtS）超快载流子动力学特性和光学非线性特性研究方面取得进展，揭示了PtS在光电子器件设计和应用方面的潜力。论文于10月29日在线发表于ACS Nano（DOI: 10.1021/acsnano.9b06782）。

硫铂矿（Cooperite）或硫化亚铂（PtS）是一种具有非层状结构的稀有矿物。无论是天然形成的还是人工合成的PtS，通常以小尺寸、不规则形状存在，存在不可避免的杂质，这阻碍了对其本征光学和光子学特性的研究。因此，目前在非线性光学和超快光子学领域，还缺乏PtS相关研究的报道。

在这项研究中，研究人员与爱尔兰都柏林圣三一大学（Trinity College Dublin）合作，采用热辅助转换方法成功制备了无杂质的大尺寸、均匀、厚度可控的PtS薄膜。与常规的二维层状材料不同，PtS的光学带隙随薄膜厚度的减小而变窄，这主要归因于禁带内表面态能带的存在。

超快动力学研究发现载流子弛豫时间随PtS薄膜厚度的减小而减小（激光条件：520 nm，380 fs），这是由于表面态辅助内部载流子复合效应的存在，使得样品表面具有快弛豫寿命，而样品内部具有较慢的弛豫寿命。基于量子力学波函数模型来估算电子和空穴的占有概率，实验结果和计算结果的良好吻合表明表面态在俄歇过程中起主导作用。非线性光学特性研究发现PtS在可见光区表现为超快饱和吸收和自聚焦特性（激光条件：515 nm，340 fs），这主要是由共振电子非线性引起的。

这项工作详细研究了二维非层状PtS材料的本征非线性光学特性和超快载流子复合特性，对开发基于PtS的光电子器件提供了实验和理论指导。

相关工作得到国家自然科学基金委、中科院及上海市科委的项目支持。

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图：PtS薄膜的超快载流子动力学过程