科学家发现异质结构中的翻转层会导致其特性发生变化

过渡金属二硫族化物(TMD)半导体是一种特殊材料，长期以来以其独特的性能令研究人员着迷。其一，它们是类似于石墨烯的扁平、单原子厚度的二维(2D)材料。它们是含有过渡金属族(例如钼、钨)和硫族元素(例如硫、硒、碲)的不同组合的化合物。

更令人着迷的是，将不同的TMD层组装成垂直堆叠会创建一种称为范德华(vdW)异质结构的新型人造材料。通过结合不同的材料，可以结合各个层的特性，生产具有定制特性的新型光电器件。这为探索层间激子、扭转电子学等基础物理打开了大门。

然而，到目前为止，还没有科学家研究改变堆叠顺序是否会影响这些异质结构的光谱特性。长期以来，由于对TMD异质结构缺乏了解，导致人们提出了一个可疑的假设，即改变层的堆叠顺序不会影响其性能。该研究发表在《自然通讯》杂志上。

最近，韩国基础科学研究所(IBS)集成纳米结构物理中心(CINAP)的一组研究人员揭穿了这一点。由LEEYoungHee教授领导的研究小组发现，异质结构中各层的顺序会影响材料内“暗激子”的生成。这一发现表明，为了在实际设备应用中进一步使用，考虑这些材料的堆叠顺序依赖性更加重要。

激子代表固体材料(通常是半导体晶体)中通过静电引力结合在一起的电子和带正电的空穴(不存在电子的位置)。单层TMD半导体具有直接带隙并表现出光学可访问的“亮激子”。与此同时，还有“暗激子”，由于其不可见性而难以研究。然而，引起这些异常的根本机制尚不完全清楚。

IBS研究人员观察到了一个显着的现象：基于不同堆叠顺序的额外光致发光(PL)峰的出现或消失。这种先前未报道的效应已被证实可以在多种异质结构中重现。

研究人员将这些额外峰的起源归因于仅位于异质结构顶层的暗激子的出现，这一点通过扫描隧道显微镜(STM)得到了进一步证实。研究人员预计这一特性可用于太阳能电池板中的光功率开关。

堆叠序列依赖性暗激子调制。左图为WS2(上)/WSe2(下)异质双层及其相应的核海绵PL的示意图。由于Q带(插图)仅在异质结构处下移，异质双层区域出现了新的激子特征(红色峰)。右图，WSe2(顶部)/WS2(底部)异质双层及其相应的PL的相反堆叠。先前的暗激子峰(红色峰)完全消失，而由于异质结构处Q带(插图)的下移，另一个新的激子特征(青色峰)出现在异质双层区域。图片来源：基础科学研究所

该研究的第一作者RiyaSebait博士说：“我们的实验结果清楚地证明了堆叠序列依赖性异常特性，这可能会开创一个名为‘翻转电子学’的新研究领域。当我们翻转或反转异质结构时，能带会经历独特的重正化。”

研究堆叠顺序相关特性需要一个干净、无残留的界面。这项研究是一项重大突破，因为这是第一次。事实证明，改变异质结构中的堆叠顺序可以导致其物理性质的变化。

研究人员试图通过研究微观多粒子模型来解释这种翻转引起的现象，这表明层相关应变可能是解决这个难题的一种可能的解决方案。

假设顶层比底层应变更大，则使用理论模型计算的数据与实验结果非常吻合。这表明这种依赖于堆叠序列的现象需要进一步研究，不仅是为了理解底层物理原理，也是为了它的实际设备应用。

此外，这项研究还促进了动量禁止暗激子的利用，因为由于异质结构独特的能带重整化，可以将它们转化为亮激子。

主要通讯作者YoungHeeLee教授表示：“双层异质结构中出现暗激子的这种特殊现象将激励其他研究人员更深入地理解和利用这些非凡的特性进行应用。”

这项工作是与德国菲利普斯马尔堡大学的ErminMalic教授和美国橡树岭实验室的SeokJunYun研究员进行跨学科合作进行的。