研究揭示MXene电子—声子表面散射效应

近日，中国科学院大连化学物理研究所研究员袁开军团队利用飞秒时间分辨光谱，实现了对复合结构的二维过渡金属碳化物的动力学探测，表明其尺寸效应在电子—声子散射过程中发挥重要作用。相关成果发表在ACS Nano上。

表面散射效应示意图。大连化物所供图

二维金属纳米材料的厚度小于载流子的平均自由程时，尺寸效应可能在载流子界面运输和能量传递过程发挥重要作用。时间分辨光谱研究表明，MXene材料的电子—声子相互作用发生在100飞秒以内，快于石墨烯、过渡金属硫化物和钙钛矿等二维材料。然而，当前对MXene电子—声子散射相关研究仅考虑体相散射，而忽略了表面散射效应。

本工作中，团队设计了厚度约1.8nm的金属/MXene和绝缘体/MXene复合结构片状材料，利用飞秒瞬态吸收光谱测量了其载流子动力学。结果表明，与MXene相比，绝缘体/MXene的电子弛豫动力学没有发生改变，而金属/MXene的电子弛豫明显变慢。这是因为金属/MXene的电子可以通过界面直接传输到金属，其电子—声子表面散射被削弱。定量分析发现，1.8nm厚度的MXene片状材料，约50%至70%的电子—声子散射过程发生在表面，阐明了MXene超薄材料的表面效应在电子—声子散射中发挥重要作用。

该成果对理解二维材料相关的界面载流子和能量传输，以及实现高效能量转换具有重要意义。