Nature Communications: 二维半导体异质结超晶格中强关联态对层间激子的调控作用

近日，伦斯勒理工(Rensselaer Polytechnic Institute)的史夙飞、加州大学河滨分校(Univ of California Riverside)的崔永涛，以及电子滚球体育 大学的王曾晖研究组等联合报道了WS₂-WSe₂二维半导体异质结超晶格中强关联绝缘态对层间激子的独特调控作用。文章近期在线发表于《Nature Communications》。

合作团队在先前研究（Nature Physics 17, 715 (2021)）中，发现0°/60°堆叠的WS₂-WSe₂中形成的莫尔(moiré)超晶格会使得系统产生能带色散比较平整的迷你能带，并使用扫描微波阻抗探针技术观察到了超晶格中的电子完全填充态（+2），莫特绝缘态（±1）以及Wigner 晶体（-1/3,-2/3）等一系列分数填充态。在这次的研究中，合作团队进一步揭示了这些强关联绝缘态对层间激子发光强度、波长、及谷极化的高效调控和极大增强，展示了二维异质结超晶格作为新型量子发光单元阵列的巨大潜力。

二维半导体WS₂和WSe₂具有同样的晶格结构，同时在晶格常数上有极其微小的差异。因此当这两种二维晶体以严格的0°或60°堆叠时，可以形成周期接近10纳米的莫尔(moiré)超晶格，远大于原子晶体的晶格周期（<1nm），在二维异质结中形成周期性的势场。由于电子间具有很强的库伦排斥相互作用，在莫尔超晶格中电子能够实现空间有序且长周期的排布；同时由于体系的二维特性，电子间的库伦排斥势大大增强，使得该二维异质结系统中的电子行为展现出显著的强关联效应。

作为扫描探针技术的一个发展，扫描微波阻抗探针技术（microwave impedance microscopy, MIM）使用金属针尖传导近场微波，来实现对针尖位置样品局域阻抗的精密测量，并有非常高的空间分辨率，对研究该二维异质结莫尔超晶格体系具有突出的优势；而样品的局域阻抗则能够有效反映莫尔超晶格中这些迷你能带的填充状态。

研究者们通过栅压连续调控电子的填充状态，利用MIM监测其演化过程，同时监测层间激子发光的变化。研究者们发现，当系统处于整数和分数的填充态时，激子发光会得到显著的增强，并发生蓝移；与此同时，圆偏振光致发光数据显示，激子发光的谷极化强度也得到了大大增强。所有这些这些层间激子在可见光频段的变化都伴随着微波频段电导的极小值，有力地证明了莫尔超晶格中的强关联电子态和层间激子的高效相互作用。这一结果为利用基于二维半导体异质结的莫尔超晶格来开发新型量子发光单元阵列提供了新的思路。

论文的共同第一作者包括缪胜男，王天盟，黄雄和陈东学博士。伦斯勒理工史夙飞教授、加州大学河滨分校崔永涛教授和电子滚球体育 大学王曾晖教授为本文的共同通讯作者。合作者还包括来自卡耐基梅隆大学、亚利桑那州立大学以及日本国立材料科学研究所的研究者。

论文链接：http://dx.doi.org/10.1038/s41467-021-23732-6

器件结构和能带结构示意图，层间激子发光随栅压的变化过程，以及莫尔超晶格中不同填充态的示意图。图片来源及版权：Nature Communications及论文作者

扫描微波阻抗探针测得局域阻抗随栅压的变化过程，及其与层间激子发光峰位的对应关系。右图为左图局部区域的细节放大。图片来源及版权：Nature Communications及论文作者

本文由作者投稿。