从低带隙 MoS2 到高带隙 WS2 的快速层间能量传递

超薄晶体间的光跃迁

在电子器件和太阳能电池中将光转化为有用能量，取决于能量移动的速度和效率。这项研究探讨了一种不同寻常的“光跃迁”——发生在两片原子薄材料之间的能量流动，其方向逆于通常规律：能量从低能量材料流向高能量材料。理解并控制这种出乎意料的途径，可能帮助工程师设计由二维材料堆叠构成的更快、更高效的光电器件。

像堆积乐高积木一样叠放原子薄层

研究人员工作对象是范德瓦尔斯异质结构——可以像乐高积木一样组合的原子级薄晶体叠层。在这里，他们在单层（单原子层）二硫化钼（MoS2）上方放置单层二硫化钨（WS2），两者之间由极薄的六方氮化硼（hBN）绝缘间隔分开。通常，类似于光合作用中的过程，能量传递是从带隙较大（高能）材料流向带隙较小（低能）材料。但在该结构中，MoS2 具有较低的能隙，而 WS2 具有较高的能隙。然而，两者具有能量十分匹配的“激子”特征——特定的吸光和发光态——因此研究团队提出：能否存在能量反向流动，即从 MoS2 向上到 WS2，以及这一过程有多快。

观察发光随厚度的变化

为追踪能量流动，科学家们用光照射 MoS2 层并监测 WS2 的发光强度。他们制作了若干叠层样品，保持 WS2 和隔层不变，但逐步增加 MoS2 的厚度，从单层增至多层。厚度变化会逐渐将 MoS2 从直接带隙材料转变为间接带隙材料，这影响到被激发的电子和空穴在动量空间中是否停留在有利于传能的“正确”谷位。通过光致发光激发（光谱激发）测量——扫描激光波长同时观察 WS2 的发光——他们发现当 MoS2 为单层时，叠层中的 WS2 发光比孤立的 WS2 片亮约三倍。随着 MoS2 变厚，这种增强逐渐减弱并最终变为亮度降低，表明这种特殊的反向能量传递仅在 MoS2 保持直接带隙的单层时最为强烈。

为什么在较厚层中能量流减弱

研究团队将实验与先进的计算相结合来解释这一趋势。在较厚的 MoS2 中，占优的电子态发生转移，导致被激发的载流子迅速落入移动性更差的“侧谷”，在这些侧谷中它们更难以将能量跳跃到 WS2。在低温下，晶格振动（声子）较弱，载流子更难返回到能进行能量传递的态，因此 WS2 发光的增强几乎消失。在室温下，更强的晶格振动有助于将载流子重新洗回有利态，从而支持能量传递——但只有当 MoS2 为单层时才高效。对光与不同激子态耦合强度的计算进一步显示，MoS2 的“B”激子与 WS2 的“A”激子都很强且能量近似匹配，为这种反向能量流提供了特别有利的通道。

计时超快的能量跃迁

为测量能量移动的速度，研究者使用时间分辨光致发光技术，发射超短激光脉冲并监测各层发光的衰变。他们观察到，在最佳匹配的单层叠层中，发光态的总体寿命并非简单地变长；相反需要对完整的激子动力学进行建模。通过将这些测量与偶极-偶极（Förster 型）耦合的详细理论相结合，他们提取出约为 33 飞秒的能量传递时间尺度（室温下）——约为十亿分之一秒的三十三万分之一。这比 MoS2 内一些关键的竞争过程（例如不同谷间载流子的重洗）更快，并且与类似体系中已知的一些最快电荷转移事件相当。

这对未来器件意味着什么

通俗地说，该研究表明，当两块具有精心匹配吸光态的超薄晶体通过纳米尺度的隔层堆叠在一起时，能量可以非常快速地向高能跃迁，在被其它途径耗散之前完成。这种“反向”能量传递对一层的厚度和温度高度敏感，揭示了结构上的微小变化如何控制能量流动。这类见解为设计下一代光能收集和发光器件提供了蓝图，在这些器件中能量可按需在二维材料堆栈间路由，可能促成由原子薄构件构建的更高效传感器、LED 和太阳能技术的发展。

引用: 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

关键词: 二维材料, 能量传递, MoS2, WS2, 光电电子学