最新Nature Materials：热诱导原子重构过渡金属硫化物零转角完全相称异质结构

一、【导读】

二维层的范德华(vdW)异质结构由于其前所未有的物理性质而被广泛研究，包括在魔角石墨烯双分子层中的超导性和Mott绝缘相，以及在扭曲过渡金属二硫化物中的莫尔层间激子和量子力学杂化电子态。因此，二维层间的扭转角被认为是决定扭曲vdW异质结构电子和光学性质的关键参数。然而，最近的报道表明，扭曲双层通过非常规的原子重建来缓解应变，由于原子重建所需的高能量，大扭转角的双层堆叠形成了波纹超晶格结构，几乎为零堆叠的双层转变为由不相称边界分隔的周期性相称域，具有重整的电子带结构。虽然零扭曲双层结构在理论上是能量稳定的，但由于机械限制的不准确性和自发重建不可避免地形成不相称区域，在获得完美的晶体取向方面仍然存在挑战。

二、【成果掠影】

近日，韩国首尔国立大学Gwan-Hyoung Lee团队提出了一种方法，通过封装退火对随机堆叠的过渡金属二硫化物多层膜进行热诱导原子重建，获得具有零扭转角的完全相称异质结构，整个过程不受堆叠样品扭转角和晶格错配的影响，在整个堆叠区域产生H型或R型完美排列的晶体取向，而在相邻层中产生相反的应变。此外，还证明了使用化学气相沉积TMD选择性地形成了具有无缝横向结的R型和H型完全相称相。所得到的完全相称异质结构即使在室温下也表现出层间激子的强光致发光增强，这是由于电子带边缘在动量空间中排列而达到热极限。该项工作不仅展示了一种制造具有R型和H型构型的零扭曲二维双层结构的方法，而且还为研究其未开发的性质提供了一个平台。相关研究成果以“Thermally induced atomic reconstruction into fully commensurate structures of transition metal dichalcogenide layers”为题发表在国际著名期刊Nature Materials上。

三、【核心创新点】

通过热诱导原子重建，提供了一种制造具有R型和H型构型的零扭曲二维双层结构的方法

四、【数据概览】

图1扭曲TMD vdW异质结构中的原子重构为完全相称结构

a，由不同堆叠类型(R-堆叠和H-堆叠)的石墨烯(Gr)或hBN封装的扭曲TMD双层示意图。b，不同堆叠类型的Gr/WSe₂/MoSe₂/Gr异质结构的光学图像。伪彩区域表示R-stack(黄色)和H-stack(蓝色)WSe₂/MoSe₂异质层。c,d, H-stack WSe₂/MoSe₂异质层(θ = 46.9°)堆叠(c)和退火(d)时的高倍率HAADF-STEM图像(左)和SAED图像(右)。

图2堆叠类型和扭转角对热诱导原子重构的影响

a，扭曲TMD双层的总vdW能量随扭转角的函数示意图。b-f，扭曲TMD在(b-d)和(e,f)退火前的原子结构示意图。b, 3R + IC；c, 2H + IC；d, IC；e, R-FC；f, H-FC。橙色、黄色、蓝色和紫色结构域分别代表AB (3R)、BA (3R)、2H和IC。红色、橙色和蓝色圆圈分别代表W、Mo和Se原子。(IC-不相称；FC-完全相称)

图3 FC异质结构的结构特征

a,b，退火后WSe₂/MoSe₂(θ = 29.5°)部分重叠区域的HAADF-STEM图像。c，退火后H-FC WSe₂/MoSe₂中1L-TMD六边形区域的HAADF-STEM图像。d，单晶WSe₂和多晶MoSe₂部分重叠区域的HAADF-STEM图像。插图显示扭曲的WSe₂/MoSe₂的光学图像。e, d中红边框的放大HAADF-STEM图像。圆圈代表Mo(橙色)和Se(蓝色)原子，红色菱形代表MoSe₂的镜像孪晶界。

图4 hBN包封H-WSe₂/MoSe₂在室温下的PL测量

a, H-WSe₂/MoSe₂(θ = 45.5°)退火前后的层间激子PL谱。b, H-WSe₂/MoSe₂第一个BZ退火前后示意图。Κ和Κ’表示TMD的第一个BZ角。圆圈代表电子(红色)和空穴(蓝色)。c, H- WSe₂/MoSe₂(θ = 45.5°)退火前后的层内激子PL谱。d, MoSe₂(XM)和WSe₂(XW)经封装退火后层内激子PL峰位移。数据来自五个不同的样本。中位数由方框中的中心线表示，方框包含数据集的第25-75的百分位数，晶须表示最小值和最大值。

图5 hBN封装的H-WSe₂/MoSe₂在77 K下的PL测量

a， θ = 58.7°和45.5°H-stack WSe₂/MoSe₂退火前后的PL谱图。IXM表示宽层间激子(IX) PL峰，IXT和IXS分别表示自旋单重态和自旋三重态层间激子。b,c, 堆叠(b)和h型FC (c) WSe₂/MoSe₂异质层Κ和Q谷的能带结构示意图。圆圈代表电子(红色)和空穴(玉色)。实线和虚线分别表示自旋向上和自旋向下的波段。d, H-stack WSe₂/MoSe₂中IXs PL峰的半峰宽。本研究中H-FC的数据来自6个不同的样品。中位数由方框中的中心线表示，方框包含数据集的第25-75的百分位数，晶须表示最小值和最大值。

五、【成果启示】

该研究展示了一种通过随机堆叠的TMD层的封装退火来实现零扭转角和零晶格错配的FC结构的方法。该方法促进了R型和H型FC结构的选择性形成，这些结构可以很容易地在没有外延生长的情况下获得。由于其结构与对准的动量坐标相匹配，FC异质结构表现出层间激子的强PL增强。这些结果不仅提供了一种制造具有R型和H型构型的零扭曲二维双层结构的方法，而且为研究层间激子、层间谷和层间铁电性等vdW异质结构的未开发性质提供了一个有希望的平台。特别是，R-FC有望用于研究由3R-TMD均匀层的本征电极化引起的铁电或光伏特性。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41563-023-01690-2

本文由小艺撰稿