二维材料光学特性在高考光电效应实验题中的延伸应用

二维材料的光学特性与光电效应实验的结合为高考物理题目设计提供了创新视角，尤其在情境创设和知识迁移方面具有重要延伸价值。以下是其核心应用方向及典型例题分析：

一、二维材料的光学特性在光电效应中的核心关联

1. 高吸收率与光电子激发效率

二维材料（如石墨烯、MoS₂）因原子级厚度和量子限域效应，具有极高的光吸收率（单层材料可达20%以上），这直接影响光电流的产生效率。在实验中可设计对比题，如：“比较石墨烯与传统金属阴极的光电流强度差异，并解释原因”。

2. 各向异性带间跃迁

低对称性二维材料（如黑磷）的带间跃迁具有偏振依赖性，导致不同偏振方向的光激发不同能量的光电子。例如：“若用偏振光照射各向异性二维材料，分析光电子最大初动能与偏振角的关系”。

3. 层数依赖的光学带隙

二维材料的带隙随层数变化（如MoS₂从间接带隙向直接带隙转变），影响截止频率。例如：“通过调节二维材料层数，分析其截止频率的变化趋势”。

二、高考实验题的延伸设计思路

（1）实验情境创新

材料选择类题目

例：某实验小组用二维材料PtSe₂替代传统金属进行光电效应实验，发现其光电流随波长变化的阈值频率低于金属钠。试结合PtSe₂的带隙特性（约1.2eV）解释此现象。

调控变量分析

例：对二维材料施加应变以调控带隙，要求学生计算应变引起的截止电压变化，并绘制$U_a-

u$曲线。

（2）数据关联与误差分析

反常数据解释

若实验中二维材料的光电流-电压曲线出现非饱和现象，可能与其表面缺陷态导致的复合发光有关。需结合“缺陷态发光偏振方向与带间发光相反”的特性进行误差分析。

多参数拟合

例：给出二维材料在不同层数下的截止电压数据，要求学生用爱因斯坦方程$eU_a = h

W$计算普朗克常量，并讨论层数变化对逸出功$W$的影响。

三、典型高考题型示例

题目：某同学用单层MoS₂薄膜作为光电管阴极，测得光电流$I$与入射光频率$

u$的关系如图。已知其逸出功为1.8eV，普朗克常量为$6.63

imes10^{-34}

ext{J·s}$。

1. 求该材料的截止频率。

2. 若改用双层MoS₂（带隙减小0.2eV），绘制新的$I-

u$曲线示意图，并说明理由。

3. 实验中发现，相同光强下，MoS₂的光电流比金属钠大，试从材料特性角度解释。

解析：

1. 由$h

u_0 = W$，得$

u_0 = W/h = 4.35

imes10^{14}

ext{Hz}$。

2. 带隙减小导致截止频率降低，曲线左移；因层数增加可能引入缺陷态，光电流幅值变化需考虑复合效应。

3. MoS₂的高吸收率和激子效应提升了光电子激发效率。

四、教学与备考建议

1. 知识迁移训练

结合二维材料的可调控性（如电场、应变），设计动态情境题，强化学生对$U_a-

u$线性关系的理解。

2. 实验对比分析

对比传统金属与二维材料的光电效应曲线差异，引导学生从能带结构角度解释现象。

3. 前沿科技融合

引入“极化激元增强光吸收”等前沿概念，拓展学生对光-物质相互作用的认识。

通过将二维材料的光学特性融入光电效应实验题，不仅丰富了高考命题维度，更培养了学生基于新材料情境的物理建模能力。此类题目需注重基础规律（如爱因斯坦方程）与材料特性的交叉分析，体现“核心素养导向”的命题趋势。