科學家發現高壓下WS₂/MoSe₂異質結中穩定的層間激子

原子級範德瓦爾斯(vdW)異質結由於其獨特的物理特性，一直是量子材料領域中最引人注目的研究物件之一。這些系統的層間耦合對實現新穎的物理觀測和豐富介面功能起著至關重要的作用。由於二維(2D)過渡金屬二鹵化金屬（TMD）的原子半導體具有不同的能帶排列和層間相互作用，因此由該類材料垂直堆疊構成的異質結具有更引人關注的光學和光電特性。具體而言，此類vdW異質結中的層間激子由來自不同2D層的載流子組成，並在電荷分離過程中發揮重要作用。與層內激子相比，層間激子通常具有更長的電子-空穴複合壽命，因此在某些情況下可能會影響太陽能電池和光電探測器中的光吸收。此外，層間激子對層間距離的敏感性使得能夠透過晶格引數的外部調製來有效地調節材料特性。因此，探索vdW異質結中的層間激子，尤其是它們對不同調諧方法的動態響應的潛在機制具有重要的基礎和實踐意義。

圖1. 單層WS₂/ MoSe₂異質結的構建及光學特性。

目前，已有多種不同的調諧方法，例如材料選擇，層數，堆疊順序，電磁場等等。但這些方法僅實現了晶格引數的有限變化。與上述幾種方法相比，高壓是誘導其晶體結構和電子結構發生劇烈變化的有效方法。目前對vdW異質結層間激子的高壓調諧鮮有報道，這可能與在高壓腔內製作高質量單層異質結的難度有關。然而，定量研究高壓對vdW異質結的光學和光電效能的有效調控仍是十分必要的。

圖2. 不同壓力下單層MoSe₂、WS₂以及WS₂/MoSe₂異質結的熒光譜和層間激子峰的歸一化強度。

最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心博士後馬肖莉在洪芳副研究員、於曉輝研究員的指導下，聯合北京交通大學張小嫻教授、何大偉教授，以及北京理工大學孫家濤教授等，透過金剛石壓砧(DAC)對單層WS₂ /MoSe₂異質結施加壓力，有效地調節了WS₂/MoSe₂異質結的電子結構和層間耦合。

圖3. WS₂/MoSe₂異質結中層間和層內激子的轉變示意圖，以及歸一化後單層MoSe₂、WS₂和WS₂/MoSe₂異質結的壓力依賴熒光譜圖。

他們首先透過對單層WS₂、MoSe₂和WS₂/MoSe₂ 異質結進行熒光測量，發現隨著壓力逐漸增大，其熒光峰的強度均明顯減弱（圖2），這可能與其壓力誘導的直接帶隙到間接帶隙的躍遷相關。與單層WS₂、MoSe₂相比，WS₂/MoSe₂ 異質結的層間激子峰（IX峰）在壓力作用下表現出更為複雜的演化，因為它不僅與兩個組分的電子結構相關，而且還依賴於層間耦合。透過系統地研究0到8.9 GPa 壓力下WS₂/MoSe₂ 異質結的熒光峰，發現隨著壓力的增加，XWS₂的熒光峰強與異質結的IX峰強相比逐漸受到抑制（圖2E），當壓力增加到8.9 GPa時，該峰完全消失，只有IX峰保留。這說明了在該異質結體系中，主要的熒光發射由層內激子向層間激子轉變。也就是說，施加外部壓力可以有效增強vdW異質結的層間耦合。另外，有趣的是，理論和實驗研究均表明，與單層WS₂ 和MoSe₂的層內激子能隨壓力增加而明顯藍移的現象相比，WS₂/MoSe₂異質結的層間激子能僅表現出微弱的壓力依賴性（圖3），這與其他雙層TMD樣品的高壓響應也有顯著差異。對於這一現象，有兩種可能的解釋：一是WS₂的導帶邊緣和MoSe₂的價帶邊緣，在壓力下以相當的速度向同一方向移動；其次，雜化帶可能存在於兩個組分的帶邊附近，並且它們對壓力不敏感。另外，第一性原理計算揭示了外加壓力下較強的層間相互作用導致了WS₂/MoSe₂異質結中層間激子行為的增強，並驗證了層間激子的穩定性。這為研究vdW異質結的層間相互作用提供了一種有效的策略，揭示了WS₂/MoSe₂異質結中層間激子的增強，將對各種類似量子系統的材料和器件設計具有重要意義。

圖4. 外加壓力作用下WS2/MoSe2異質結雙分子層的計算能帶結構和差分電荷密度。

該工作得到了科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金委以及中科院先導專項等的支援。

文章連結

編輯：藏痴