Быстрая межслойная передача энергии от MoS2 с меньшей шириной запрещённой зоны к WS2 с большей

Перескакивание света между ультратонкими кристаллами

Преобразование света в полезную энергию в электронике и солнечных элементах зависит от того, как быстро и эффективно эта энергия может перемещаться. В этом исследовании изучается необычный тип «перескакивания» света между двумя листами атомно‑тонких материалов, при котором энергия течёт против привычного направления — от материала с более низкой энергией к материалу с более высокой. Понимание и управление этим неожиданным маршрутом может помочь инженерам создавать более быстрые и эффективные оптоэлектронные устройства на основе штабелей 2D материалов.

Сложение атомных слоёв как кубиков Лего

Исследователи работают с ван‑дер‑Ваальсовыми гетероструктурами — стопками атомарно тонких кристаллов, которые можно комбинировать как кубики Лего. Здесь они размещают монолайер (один атомарный слой) дисульфида молибдена (MoS2) под монолайером дисульфида вольфрама (WS2), разделёнными очень тонким изолирующим промежутком из гексагонального нитрида бора (hBN). Обычно передача энергии — аналогичная процессу в фотосинтезе — идёт от материала с более широкой запрещённой зоной к материалу с более узкой. В этой структуре, однако, MoS2 обладает меньшей шириной запрещённой зоны, а WS2 — большей. Тем не менее у них близко согласованы «экситонные» особенности — особые состояния поглощения и излучения света — поэтому группа задаётся вопросом, может ли энергия течь в обратном направлении, из MoS2 вверх в WS2, и насколько быстр этот процесс.

Наблюдение за изменением светоизлучения с толщиной

Чтобы проследить поток энергии, учёные освещают слой MoS2 и контролируют, как ярко светится WS2. Они собирают несколько вариантов стопки, оставляя WS2 и промежуток неизменными, но увеличивая толщину MoS2 от одного до нескольких слоёв. Это изменение толщины постепенно переводит MoS2 из прямозонного в непрямозонный материал, что влияет на то, насколько легко возбуждённые электроны и дырки остаются в «правильной» долине в пространстве импульсов, чтобы передавать энергию дальше. С помощью измерений фотолюминесценции возбуждением — перестройкой цвета лазера при наблюдении свечения WS2 — они обнаруживают, что когда MoS2 представляет собой монослой, WS2 в стопке светится примерно в три раза ярче, чем изолированный лист WS2. По мере утолщения MoS2 этот прирост ослабевает и в конечном счёте превращается в уменьшение яркости, что указывает на то, что особая обратная передача энергии наиболее сильна только при сохранении MoS2 в виде монолёяра.

Почему поток энергии затухает в более толстых слоях

Комбинируя эксперименты с продвинутыми расчётами, команда объясняет эту тенденцию. В более толстом MoS2 предпочитаемые электронные состояния смещаются так, что возбуждённые носители быстро попадают в «боковые долины», где они движутся менее свободно и с меньшей вероятностью перескакивают энергию на WS2. При низких температурах колебания решётки (фононы) слабеют, что затрудняет возврат носителей в нужные состояния для передачи энергии, и усиление свечения WS2 почти исчезает. При комнатной температуре более сильные колебания помогают перетасовывать носители обратно, поддерживая передачу энергии — но эффективно только когда MoS2 представляет собой один слой. Расчёты силы связи света с различными экситонными состояниями дополнительно показывают, что «B»‑экситон MoS2 и «A»‑экситон WS2 оба сильны и почти совпадают по энергии, создавая особенно благоприятный канал для этого обратного потока.

Измерение сверхбыстрых энергетических перескоков по времени

Чтобы выяснить, как быстро перемещается энергия, исследователи используют временно‑разрешённую фотолюминесценцию, посылая ультракороткие лазерные импульсы и наблюдая, как затухает свечение каждого слоя. Они видят, что в оптимально согласованной стопке монолёров общие времена жизни светящихся состояний не просто удлиняются; требуется моделирование полной динамики экситонов. Сочетая эти измерения с детальной теорией диполь‑дипольного (Фёрстера‑типа) взаимодействия, они выделяют шкалу времени передачи энергии порядка 33 фемтосекунд при комнатной температуре — примерно тридцать три миллионных миллиардной доли секунды. Это быстрее ключевых конкурирующих процессов внутри MoS2, таких как перераспределение носителей между разными долинами, и сопоставимо с одними из самых быстрых известных событий передачи заряда в подобных системах.

Что это значит для будущих устройств

Проще говоря, исследование показывает, что когда два ультратонких кристалла с тщательно согласованными состояниями поглощения света сложены с нанометровым промежутком, энергия может очень быстро перескакивать «вверх» по энергетике, прежде чем успеет потеряться через другие каналы. Эта «обратная» передача энергии сильно чувствительна к толщине одного слоя и к температуре, показывая, как тонкие изменения структуры управляют потоком энергии. Такие выводы дают план для проектирования устройств следующего поколения по сбору и испусканию света, в которых энергия направляется по требованию через стопки 2D материалов, потенциально обеспечивая более эффективные датчики, светодиоды и солнечные технологии, созданные из атомарно‑тонких строительных блоков.

Цитирование: Gayatri, Arfaoui, M., Das, D. et al. Fast interlayer energy transfer from the lower bandgap MoS₂ to the higher bandgap WS₂. npj 2D Mater Appl 10, 25 (2026). https://doi.org/10.1038/s41699-026-00661-w

Ключевые слова: 2D материалы, передача энергии, MoS2, WS2, оптоэлектроника