悬浮MoSe2 中载流子的瞬态超快与负扩散：从多层到单层的突破性发现

研究人员通过结合超快时空显微镜与微观建模，揭示了悬浮MoSe2 从多层到单层厚度下载流子的瞬态超快扩散（1000 cm2 /s）和负扩散现象，明确了缺陷捕获与介电环境对电子传输的关键影响，为二维材料在柔性光电器件中的应用提供了理论指导。

　　

在二维材料研究领域，过渡金属二硫属化物（TMDCs）因其独特的电子和光学性质成为热点，但载流子的超快传输机制仍存在争议。尤其是环境介电效应和缺陷态对载流子扩散的影响尚未明晰，制约了其在柔性电子和光电器件中的应用。为此，西班牙ICFO研究所、德国马普所等机构的研究团队在《Nature Communications》发表论文，通过悬浮MoSe₂
的厚度梯度实验，揭示了载流子从非热化到缺陷捕获的全过程动力学。

研究采用超快时空显微镜（时间分辨率400 fs）和微观理论模型，结合悬浮与支撑样品的对比实验，系统分析了不同厚度MoSe₂
的载流子扩散行为。样本队列包括机械剥离的1-20层悬浮单晶，通过干转移技术制备。

研究结果
厚度依赖性与实验方法
通过瞬态反射显微镜发现，单层与双层MoSe₂
呈现四阶段扩散：非热化载流子的超快扩散（Regime I, 1000 cm²
/s）、准热化载流子的快速扩散（Regime II, 60 cm²
/s）、负扩散（Regime III）及激子缺陷捕获主导的慢扩散（Regime IV, 1-2 cm²
/s）。而三层及以上样品仅显示I和IV阶段，表明厚度对热化路径的调控作用。

悬浮多层MoSe₂
的时空动力学
三层样品中，初始扩散系数达17±1 cm²
/s，缺陷密度低至3×10⁹
/cm²
，证实高质量晶体的陷阱限制扩散机制。

悬浮单层MoSe₂
的时空动力学
微观模型精准预测了四阶段的物理起源：Regime I-II源于高能自由载流子的热化与捕获竞争；Regime III由激子形成时冷载流子的空间收缩引起；Regime IV则反映激子-缺陷平衡态扩散。

介电环境效应
支撑样品因介电无序导致Regime II缩短，验证了悬浮体系对本征性质研究的重要性。

结论与意义
该研究首次完整解析了TMDCs中载流子的多阶段扩散机制，提出缺陷密度与介电环境是调控传输性能的关键。负扩散现象的发现为非线性输运理论提供了实验依据，而厚度依赖的扩散差异为器件设计（如选择单层实现超快响应或多层稳定传输）提供了指导。成果对开发基于TMDCs的晶体管、柔性电子和传感器具有重要参考价值。