美国能源部(DOE)的劳伦斯伯克利国家实验室的科学家们使用一种独特的纳米光学探针研究了光照对二维半导体在分子尺度上的影响。分子铸造厂是美国能源部科学的一个办公室，科学家使用他们开发的“Campanile”探测器对二硫化钼有了令人惊奇的发现，二硫化钼是一种半导体材料，也称为“过渡性金属双硫属化合物(TMDCs)”，其光电性能为未来的纳米电子和光子设备带来巨大的潜在希望。

伯克利实验室的材料科学部门的 James Schuck指出：“Campanile探针最引人注目的成果是使我们识别到单层二硫化钼的晶体中，纳米光电子在内部区域异质性的重要性，该区域大约300纳米宽，呈无序边缘地区。”Schuck负责该项研究，开发了Campanile探测器，并以此赢得了2013年将扫描探针显微镜和光学光谱相结合的研发奖。

Schuck说：“这种无序的边缘地区之前从未见过，也许对于导电设备来说非常重要，这也是光催化和非线性光学转换应用领域的关键。”

作为该项研究发表论文的通讯作者，Schuck负责分子纳米结构的成像和设备的制造。本文的题目为“单层二硫化钼边缘和晶界的无序排列的可视化纳米激子的弛豫特性（Visualizing nanoscale excitonic relaxation properties of disordered edges and grain boundaries in monolayer molybdenum disulfide）”。该论文的其他作者还包括 Wei Bao和Nicholas Borys。

二维-TMDCs材料是继硅材料之后的下一代高速电子材料，可与石墨烯相比。只有一个分子厚度的二维-TMDC材料拥有比硅更高效的能源效率和电流密度。然而，他们的实验于2010年已经开展，而二维-TMDC材料的实际性能远远落后于理论预期，这主要是因为缺乏对二维-TMDC材料的属性在纳米尺度上的理解，特别是它们的激子性质。激子是一对电子-空穴对，是半导体设备实现功能的前提。

Schuck说：“我们仅有的对二维-TMDC激子的和其他属性在纳米尺度上的理解，很大程度上源于现有的纳米光谱成像的限制。我们利用Campanile探针，克服了以前近场显微镜的局限，实现了纳米尺度上映射关键化学性质和光学性质的技术。”

Campanile探针，它的名字来自具有里程碑意义的加州大学伯克利分校校园的“Campanile”钟塔。Campanile探针呈锥形，四面微透镜安装在光纤的末端。Campanile的两侧涂以黄金，金层之间相距只有几纳米。锥形设计使得Campanile探针将所有波长的光分成一个顶端增强的光。金层之间的差距决定了探针的分辨率，该分辨率低于衍射光学极限。

在这项新研究中，Schuck和合作者使用Campanile探针纳米激发态光谱法来映射化学汽相淀积(CVD)制备的单层二硫化钼的晶体生长和弛豫过程。二硫化钼是一种高电导率的二维半导体，可与石墨烯相比。但与石墨烯不同的是，二硫化钼有天然的能量带隙，这意味着导电功能可以消除。

Schuck指出：“我们的研究揭示了纳米光电子异质性的重要性，也帮助我们来量化在晶粒边界的激子泯灭现象。无序的边缘地区是我们萌发了范式转变的想法，将一维金属边缘的物理现象转换成二维-TMDCs光化学现象。二维-TMDC晶体边缘的无序排列显然比一维无序更为复杂。在化学气相沉积制备的二维-TMDCs中，其边缘的介观无序区域可以应用于传递、非线性光学、光催化等领域。”

在这项研究中，Schuck和同事还发现，无序二硫化钼晶体的边缘地区缺硫，这会影响未来二维-TMDC在光电领域的应用。

“缺硫意味着边缘区域存在更多的自由电子，这会导致无辐射复合的增强。强化的无辐射复合会使得激子附近的硫空位存在时间极短。”

Schuck和同事计划在未来研究二硫化钼的激子和电子性质，并将两种不同类型的TMDCs相连，以创建PN结和量子阱。

Schuck说：“我们将二维-TMDC材料与金属表面结合，以控制和操作循环排放和势谷。同时探索本地化的量子态，以作为接近理想的单光子发射器和量子-缠结的量子位。

新材料在线编译整理——翻译：陈琼    校正：摩天轮