北京师范大学Xiaoli Wang和Run Long课题组--横向MoS2-石墨烯共价结处的光致异常电子转移动力学

光致电荷分离显着影响横向 MoS₂−石墨烯结的光电性能。通常，绝热机制控制化学结合界面处的电子转移 (ET)。与直觉相反，我们使用非绝热(NA)分子动力学证明了NA机制在横向MoS₂-石墨烯共价连接中支配着从MoS₂到石墨烯的电子转移。由界面处形成的内置电场引起的异常电子转移机制通过驱动电子和空穴向相反方向移动来减少供体--受体相互作用。在石墨烯和MoS₂振动的驱动下，MoS2上的光激发电子在200fs内通过NA机制快速转移到石墨烯中，这比电子-声子能量弛豫速度更快，并确保“热”电子在冷却和失去能量之前可以成功提取到热。该研究建立了对横向MoS2-石墨烯结中复杂电荷-声子动力学的机械理解，这是光电和光伏应用的关键。

图 1. 模拟单元的顶视图和侧视图，显示了 (a)优化的几何形状（左图）。（b）在横向 MoS2−石墨烯结的MD模拟期间在300 K（右图）下的代表性快照。热波动会导致石墨烯片的显着平面外运动，从而影响供体-受体相互作用。棕色、黄色和紫色球体分别代表 C、S 和 Mo。

图 2. (a) PE 电子供体状态。 (b)受体状态的电荷密度，在0 K时使用优化的几何形状计算。电子供体和受体状态几乎均匀分布在 MoS2 和石墨烯上，反映了弱的供体-受体相互作用。 (c) 电子供体和 (d) 受体状态的电荷密度导致在 300 K 时界面区域的轻微离域，使用图 1b 中所示的几何形状计算。

图 3. (a) PE态（粗黑线）和石墨烯的能量演化以及MoS₂导带态（细灰线）。 (b)在MoS₂ 上PE态定位的演化。通过对每个量的自相关函数执行傅立叶变换 (FT)， (c) PE状态能量和 (d) 定位的光谱密度。(c)中高于 800 cm^-1 的峰放大了 100 倍。

图 4. (a) 光致ET和弛豫过程示意图。光子吸收将电子从 MoS₂ 的VB内的基态驱动到位于MoS₂ CB内的激发态。然后，PE电子被注入石墨烯CB，与电子-声子能量弛豫有关。 (b) 光致ET机制。 PE电子可以通过过渡态势垒（弯曲的蓝色箭头）从供体绝热地注入受体。或者，注射可以非绝热进行，在供体和受体状态之间跳跃（向下的红色箭头）。光激发可以促进电子从供体基态直接转移到受体激发态（向上的绿色箭头）。 (c) 平均 ET 动力学。黑色实线、蓝色虚线和红色虚线分别代表总、绝热和 NA ET。空心圆圈是具有图中所示时间尺度的拟合数据。由于供体-受体耦合较弱，NA机制在ET事件中占主导地位。 (d) PE状态能量的衰减。能量弛豫比ET慢，表明PE电子可以在冷却到带边缘之前被石墨烯成功提取。

相关科研成果由北京师范大学Xiaoli Wang和Run Long等人于2021发表在The Journal of Physical Chemistry Letters（https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.1c02169）上。原文：Photoinduced Anomalous Electron Transfer Dynamics at a Lateral MoS₂–Graphene Covalent Junction。

龙闰

教授，博士生导师，理学博士（山东大学），博士后（都柏林大学），玛丽居里研究员（罗切斯特大学），助理教授（都柏林大学）

通信地址：北京市新街口外大街19号 北京师范大学化学学院

邮编：100875

电子邮箱：[e-mail]

研究兴趣

量子-经典混合动力学；光电及光催化材料激发态动力学

招生信息

每年招收博士生2名，硕士生1-2名

获奖信息

• 爱尔兰国家自然科学基金优秀青年基金, 2012-2016

• 玛丽居里国际交流奖学金，2010-2013

• 爱尔兰工程科学与技术研究基金会政府奖学金，2008-2010

• 山东大学优秀博士论文，2009

主持在研项目

• 国家自然科学基金面上项目, 2016-2019

• 北京师范大学启动资金，2015-2018

• 中国-爱尔兰自然科学基金委国际合作项目   2018-2021

代表性论文

1. Jinlu He, Wei-Hai Fang, Run Long* et al., Bidentate Lewis bases are preferred for passivation of MAPbI3 surfaces: A time-domain ab initio analysis, Nano Energy 2021, 79, 105491.

2. Lu Qiao, Wei-Hai Fang, Run Long*, The Interplay Between Lead Vacancy and Water Rationalizes the Puzzle of Charge Carrier Lifetimes in CH₃NH₃PbI₃: Time‐Domain Ab Initio Analysis, Angew. Chem. Int. Edit. 2020, 59, 13347 –13353.

3. Lu Qiao, Wei-Hai Fang, Run Long* et al., TExtending Carrier Lifetimes in Lead Halide Perovskites with Alkali Metals by Passivating and Eliminating Halide Interstitial Defects, Angew. Chem. Int. Edit. 2020, 59, 4684-46904.

4. Jinlu He, Wei-Hai Fang, Run Long* et al., Why Oxygen Increases Carrier Lifetimes but Accelerates Degradation of CH₃NH₃PbI₃ under Light Irradiation: Time-Domain Ab Initio Analysis, J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 14464-14673.

5. Jinlu He, Wei-Hai Fang, Run Long* et al., Superoxide/peroxide chemistry extends charge carriers’ lifetime but undermines chemical stability of CH₃NH₃PbI₃ exposed to oxygen: time-domain ab initio analysis, J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 5798-5807.

6. Zhaosheng Zhang, Wei-Hai Fang, Run Long* et al., Exciton Dissociation and Suppressed Charge Recombination at 2D Perovskite Edges: Key Roles of Unsaturated Halide Bonds and Thermal Disorder, J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 15557-15566.

7. Zhaosheng Zhang, Lihong Liu, Weihai Fang, Run Long* et al., Plasmon-Mediated Electron Injection from Au Nanorods into MoS₂: Traditional versus Photoexcitation Mechanism, Chem 2018, 4, 11112-11127.

8. Zhaosheng Zhang, Weihai Fang, Run Long* et al., Rapid Decoherence Suppresses Charge Recombination in Multi-Layer 2D Halide Perovskites: Time-Domain Ab Initio Analysis, Nano Lett. 2018, 18, 2459-2466.

9. Yaqing Wei, Linqiu Li, Weihai Fang, Run Long* et al., Weak Donor−Acceptor Interaction and Interface Polarization Define Photoexcitation Dynamics in the MoS₂/TiO₂ Composite: Time- Domain Ab Initio Simulation, Nano Lett. 2017, 17, 4038-4046.

10. Zhaosheng Zhang, Run Long* et al., Interplay between Localized and Free Charge Carriers Can Explain Hot Fluorescence in the CH₃NH₃PbBr₃ Perovskite: Time-Domain Ab Initio Analysis, J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 17327-17333.

11. Run Long, et al., Nonadiabatic Charge Dynamics in Novel Solar Cell Materials, WIREs Comput. Mol. Sci. 2017, 7, 1-29. (invited Review)

12. Run Long*, et al., Donor-Acceptor Interaction Determines the Mechanism of Photoinduced Electron Injection from Graphene Quantum Dots into TiO2: π-Stacking Supersedes Covalent Bonding，J. Am. Chem. Soc. 2017, 39, 2619-2629.

13. Run Long*, et al., Unravelling the Effects of Grain Boundary and Chemical Doping on Electron−Hole Recombination in CH3NH3PbI3 Perovskite by Time-Domain Atomistic Simulation, J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 3884-3890.(chosen to JACS spotlight)

14. Run Long*, et al., Quantum Coherence Facilitates Efficient Charge Separation at a MoS2/MoSe2 van der Waals Junction，Nano Lett. 2016, 16, 1996-2003.

15. Run Long*, et al. Dopants Control Electron-Hole Recombination at Perovskite-TiO2 Interfaces: Ab Initio Time-Domain Study. ACS Nano，2015, 9, 11143-11155.

16. Run Long, et al., Time-Domain Ab Initio Analysis of Excitation Dynamics in a Quantum Dot/Polymer Hybrid: Atomistic Description Rationalizes Experiments. Nano Lett. 2015, 15, 4274-4281.

17. Run Long, et al., Instantaneous Generation of Charge-Separated State on TiO2 Surface Sensitized with Plasmonic Nanoparticles, J. Am Chem. Soc. 2014, 136, 4343-4354.

18. Run Long, et al., Prezhdo, Asymmetry in the Electron and Hole Transfer at a Polymer-Carbon Nanotube Heterojunction. Nano. Lett. 2014, 14, 3335-3341.

19. Run Long, et al., Defects Are Needed for Fast Photo-Induced Electron Transfer from a Nanocrystal to a Molecule: Time-Domain Ab Initio Analysis. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 18892-18900.

20. Run Long, et al., Photo-Induced Charge Separation across the Graphene-TiO2 Interface Occurs Faster than Energy Losses: a Time-Domain Ab Initio Analysis. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 14238-14248. (chosen to JACS spotlight)

21. Run Long, et al., Ab Initio Nonadiabatic Molecular Dynamics of the Ultrafast Electron Injection from a PbSe Quantum Dot into the TiO2 Surface，J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 19240-19249.