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In Situ Imaging Reveals Efficient Charge Separation in Monolayer MoS 2 –WS 2 Type-II Heterojunctions

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作者
Quanzhen Huang,Z. Wang,R. Liu,Hanyu Yao,Chenwei Ni,Tianyu Bo,Shu Wu,Fusai Sun,范峰滔,Michael V. Mirkin
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (8): 8417-8422
标识
DOI:10.1021/jacs.5c19244
摘要

Covalently bonded in-plane two-dimensional (2D) transition metal dichalcogenide (TMD) heterojunctions with atomically sharp interfaces hold great promise for photocatalytic applications in solar energy conversion and environmental remediation; however, their spatially resolved charge distribution and transport, particularly under operando conditions, remain poorly understood. Here, we employ photoscanning electrochemical microscopy (photo-SECM) to directly visualize photoinduced charge separation in monolayer MoS2-WS2 in-plane heterojunctions. Spatial separation of photogenerated carriers is observed, with electrons accumulating in MoS2 and holes in WS2, leading to strongly asymmetric interfacial kinetics: Fc+ reduction proceeds rapidly on MoS2 (0.6 cm s-1), whereas Fc oxidation on WS2 is significantly slower (0.008 cm s-1). High-resolution surface photovoltage microscopy (SPVM) enables a quantitative comparison of charge-separation capacity across architectures. The in-plane MoS2-WS2 heterojunction shows the largest photovoltage contrast (-35 mV in MoS2, 20 mV in WS2), exceeding the vertical heterojunction (-18 mV in MoS2, 11 mV in WS2) and the individual monolayers (-12 mV for MoS2, - 1 mV for WS2), establishing the following trend: in-plane > vertical > monolayers. Ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS) indicates that this directional charge separation is driven by intrinsic type-II band alignment, while photoluminescence (PL) imaging shows that the interface acts as a recombination center that limits efficient carrier extraction. These results provide direct experimental evidence of type-II-driven charge separation in in-plane heterojunctions and offer critical insights for interface design in high-efficiency photocatalytic and optoelectronic systems.
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