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    ?二維材料,再發Science!

    ?二維材料,再發Science!

    作者:
    發布時間:
    2022/12/20 14:52
    瀏覽量
    研究背景
    由單層范德華晶體堆疊形成的莫爾超晶格是發現基本物理現象的新興平臺。例如,半導體過渡金屬二硫族化物(TMDCs)的莫爾超晶格已經被預測為形成束縛電子-空穴對或激子的拓撲保護晶格,可以作為量子模擬和技術的模型系統。最近的光譜學研究在TMDC異質結構中發現了層間和層內莫爾激子的特征,研究了超晶格勢中的激子擴散,并發現了莫爾激子的合作性質的證據。
     
    關鍵問題
    然而,關于莫爾超晶格的研究仍存在以下問題:
    1、納米級激子的性質研究較少
    關于莫爾超晶格研究較少的重要參數是納米級激子的性質,最近通過使用超快角度分辨光電發射電子光譜(ARPES),在動量空間中探測了層間激子質心的納米級調制或限制。
    2、層內激子的限制程度以及局域化堆疊的理解仍遙不可及
    由于光學探針的衍射極限或ARPES中相位信息的損失,對層內激子的限制程度以及發生局域化的堆疊的測量的清楚理解仍然是遙不可及的。
    3、激子局域化的可視化至關重要
    激子局域化的真實空間可視化對于解決莫爾超晶格是否能夠支持良好局域化量子激發的周期性陣列的基本問題是必要的。
     

    新思路

    有鑒于此,美國 勞倫斯伯克利國家實驗室Archana Raja等人使用低溫透射電子顯微鏡和光譜學來同時成像旋轉排列的WS2-WSe2莫爾超晶格中最低能量層內激子的結構重建和相關定位。結合光譜學和從頭算,確定激子質心波函數被限制在莫爾晶胞中最高能量堆積位置周圍大約2納米的半徑內。本工作的結果提供了直接的證據,表明原子重構導致了強限制的莫爾勢,并且納米尺度的工程應變將實現新型的激子晶格。
     
     
    技術方案:
    1、提供了WS2-WSe2莫爾超晶格中的面內結構重建的直接證據
    作者制備了WS2和WSe2單層的R堆疊異質結構,通過實驗分析獲得了亞納米尺度的結構信息,結合模擬提供了WS2-WSe2莫爾超晶格中的面內結構重建的首個直接證據。
    2、研究了面內結構重構對莫爾激子態的影響
    作者通過系綜光譜和同一樣品上的局域低損耗STEM-EELS研究了面內結構重構對莫爾激子態的影響,前者獲得了更高的光譜分辨率,后者獲得了更高的空間分辨率。
    3、探究了莫爾激子的亞納米尺度空間映射
    作者通過理論計算再現了在光學反射對比光譜中觀察到的三個峰,將可實現的空間分辨率限制在約1納米。通過激子波函數表明在樣品的大面積上保持了莫爾電勢。
     
    技術優勢:
    1、實現了莫爾超晶格面內結構和莫爾激子相應振蕩器強度的直接成像
    作者使用同步ADF-STEM和低損耗STEM-EELS映射和高光譜分析,直接成像旋轉排列WS2-WSe2莫爾超晶格的面內結構重建和莫爾晶胞內莫爾激子的相應振蕩器強度。
    2、確定了激子質心波函數
    作者通過實驗結合理論計算,確定了激子質心波函數在莫爾晶胞中限定在最高能量堆積位置周圍大約2納米的半徑內。
    3、提供了限制莫爾勢的直接證據
    本工作的結果為原子重構導致了強烈的限制莫爾勢提供了直接證據,并且在納米尺度上設計應變,將使新型激子晶格成為可能。
     

    技術細節

    WS2-WSe2莫爾異質結
    作者制備了WS2和WSe2單層的R堆疊異質結構,并將其封裝在大約16 nm和10nm厚的六方氮化硼(hBN)內。hBN創造了一個均勻的介電環境,使激子線寬變窄,并保護樣品免受氧化和束損傷。使用二次諧波產生(SHG)和位置平均會聚束電子衍射,以及在光致發光測量中從較低的層間激子態出現的強發射,驗證了層之間的扭曲角接近零或R堆疊。然后,在低溫條件下(100 K)使用同步ADF-STEM-EELS從多個區域收集了高光譜圖像,并通過實施基于單位單元平均的定制數據分析程序,以提高結構圖像和最終EEL光譜和圖中的信噪比。WS2和WSe2單層是直接帶隙半導體,對于接近零的相對扭曲,4.4%的晶格失配產生了約8 nm的莫爾周期。密度泛函理論計算表明了莫爾超晶格中的堆疊影響局部能量分布。通過分析ADF-STEM圖像獲得了亞納米尺度的結構信息,使用多切片模擬模擬了理論預測的未弛豫和弛豫莫爾超晶格的ADF-STEM圖像。作者對對162個莫爾晶胞的ADF-STEM強度進行了平均,獲得了與弛豫異質結構的多切片模擬一致的圖像,提供了WS2-WSe2莫爾超晶格中的面內結構重建的首個直接證據。
     
    圖  WS2-WSe2莫爾異質結的結構重建
     
    莫爾激子態
    作者通過系綜光譜和同一樣品上的局域低損耗STEM-EELS研究了面內結構重構對莫爾激子態的影響,前者獲得了更高的光譜分辨率,后者獲得了更高的空間分辨率。在激子峰的前邊緣和后邊緣開始時使用高斯-洛倫茲擬合進行EELS背景扣除,并用Savitzsky-Golay算法進行平滑。STEM-EELS測量入射電子對激發成空態的目標原子中的電子的能量損失,EEL信號與材料的介電常數的虛部成比例。因此,作者測量了產生激子的局部概率,而不是激子本身,結果表明兩種光譜技術對于主激子峰顯示出相似的振蕩器強度。
     
    圖  EELS與光學吸收的比較
     
    莫爾激子的亞納米尺度空間映射
    WS2-WSe2莫爾超晶格中WSe2 A激子峰分裂成三個峰是在ADF-STEM測量中觀察到的強面內結構重建的結果,這與其他疊層系統不同的是,疊層雜化也可以貢獻于疊層激子精細結構。WSe2層的面內結構重建導致價帶和導帶邊緣的平坦電子帶。第一原理GW-BSE計算完全考慮了由于結構重建引起的價帶和導帶狀態的空間調制,再現了在光學反射對比光譜中觀察到的三個峰。作者將莫爾激子的振子強度與實驗數據進行了比較。盡管電子束在空間上被限制在直徑小于1納米的范圍內,但低損耗的EELS離域將可實現的空間分辨率限制在約1納米。觀察到來自三個堆疊區域的峰強度的明顯差異,表明在EELS中觀察到的激子峰在莫爾晶胞中具有不均勻的振蕩器強度,與GW-BSE計算結果非常一致。為了確定在莫爾晶胞中激子調制的空間范圍,通過在100×100n m的掃描中將1.3nm的掩模移動到不同的晶胞位置來生成超光譜晶胞,有效地創建了滾動平均值。作為質心坐標的函數的激子波函數被局限于半徑約2 nm內的位置,表明在樣品的大面積上保持了莫爾電勢,并且可以支持激子的三角形晶格的形成。
     
    圖  莫爾激子的亞納米尺度空間映射
     

    展望

    總之,作者發現了每個莫爾晶胞內的強原子弛豫導致激子在特定堆積位置的限制。這開啟了通過外部應變、扭曲角和層數在莫爾異質結構中納米工程玻色子晶格的可能性。
     
    參考文獻:
    SANDHYA SUSARLA, et al. Hyperspectral imaging of exciton confinement within a moiré unit cell with a subnanometer electron probe. Science, 2022, 378(6625): 1235-1239.
    DOI: 10.1126/science.add9294
    https://www.science.org/doi/10.1126/science.add9294
     
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