二維材料從新出發(fā)

基于二維材料的范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)（vdWHs）可以通過(guò)化學(xué)氣相沉積（CVD）或者干/濕轉(zhuǎn)移法制備。它們通常具有明顯且高質(zhì)量的二維界面，為研究界面相關(guān)的性質(zhì)提供了一個(gè)優(yōu)質(zhì)平臺(tái)。另外，vdWHs中子系統(tǒng)成分、樣品厚度以及界面旋轉(zhuǎn)角的多樣選擇也為操控它們的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)提供了更多自由度。其中，由于單層過(guò)渡金屬硫族化合物（TMDs）為直接帶隙半導(dǎo)體，基于TMDs的vdWHs在光電子學(xué)應(yīng)用中受到了重點(diǎn)關(guān)注。

在vdWHs中，具有相近晶格常數(shù)的子系統(tǒng)以一定的旋轉(zhuǎn)角度堆垛，在界面處將形成moiré圖案。相應(yīng)地，界面處的層間耦合作用也表現(xiàn)出moiré圖案，對(duì)vdWHs子系統(tǒng)的電子能帶結(jié)構(gòu)和電子-電子相互作用施加周期性勢(shì)場(chǎng)的調(diào)制，使vdWHs表現(xiàn)出一系列新奇物理現(xiàn)象：轉(zhuǎn)角雙層石墨烯中形成moiré能帶；TMDs異質(zhì)結(jié)中層間激子態(tài)受到moiré周期勢(shì)的調(diào)制產(chǎn)生moiré激子。同時(shí)，vdWHs中moiré圖案還會(huì)對(duì)子系統(tǒng)以及vdWHs本身的聲子、電子-聲子耦合以及聲子-聲子相互作用產(chǎn)生影響。

對(duì)vdWHs中晶格動(dòng)力學(xué)以及聲子性質(zhì)進(jìn)行研究為調(diào)控聲子相關(guān)的性質(zhì)提供了可能。比如，在hBN/WSe2中，采用與WSe2光學(xué)躍遷匹配的激光可共振激發(fā)hBN原本光學(xué)禁戒的聲子；通過(guò)共振拉曼散射可激發(fā)轉(zhuǎn)角多層石墨烯子系統(tǒng)中的層間剪切模式［Nat.Commun.5:5309（2014）］；在MoS2/石墨烯異質(zhì)結(jié)中觀察到MoS2子系統(tǒng)的剪切模以及vdWHs的層間呼吸模式［ACS Nano 11:11714（2017）］。

當(dāng)兩個(gè)相同的單層以一定的旋轉(zhuǎn)角度堆垛時(shí)將形成轉(zhuǎn)角雙層二維材料（tBL）。與采用多種二維材料堆垛的vdWHs不同，tBL的晶格結(jié)構(gòu)可能是公度的，即存在嚴(yán)格的晶體學(xué)超晶格，晶格常數(shù)依賴于旋轉(zhuǎn)角度。由于聲子折疊效應(yīng)，在tBL的拉曼光譜中理應(yīng)觀察到一系列折疊的聲學(xué)和光學(xué)聲子模式。同時(shí)，moiré圖案將在兩個(gè)單層子系統(tǒng)中引入一個(gè)周期勢(shì)場(chǎng)，形成moiré超晶格，從而產(chǎn)生相應(yīng)的折疊聲子模式。

這些模式受到moiré周期勢(shì)的調(diào)制，類比moiré能帶和moiré激子，可將其定義為moiré聲子。moiré超晶格的周期等于或者小于晶體學(xué)超晶格的周期。轉(zhuǎn)角雙層TMD作為研究vdWHs基本性質(zhì)最簡(jiǎn)單的模型，可用于研究vdWHs中晶格動(dòng)力學(xué)行為。

到目前為止，在轉(zhuǎn)角雙層TMD中，晶體學(xué)超晶格相關(guān)的聲子以及與moiré超晶格相關(guān)的聲子都沒(méi)有相關(guān)的報(bào)道，哪種聲子將在拉曼光譜中起主導(dǎo)作用尚未清楚。

最近，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所譚平恒研究組與北京大學(xué)研究員劉開(kāi)輝、哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授胡平安以及中國(guó)人民大學(xué)教授季威合作，以CVD生長(zhǎng)和濕法轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)角雙層MoS2為模型，利用拉曼光譜和密度泛函理論計(jì)算對(duì)轉(zhuǎn)角雙層TMD材料中的聲子性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并獲得新進(jìn)展。

圖：轉(zhuǎn)角雙層MoS2的拉曼光譜以及由moiré聲子頻率映射得到的聲子色散曲線

他們根據(jù)實(shí)驗(yàn)成果，提出了moiré聲子的概念。moiré聲子是由于在轉(zhuǎn)角雙層MoS2中，moiré圖案所產(chǎn)生的周期勢(shì)場(chǎng)可以調(diào)控單層MoS2子系統(tǒng)中的聲子模式，使得由單層MoS2中非布里淵區(qū)中心的聲子可以折疊到轉(zhuǎn)角雙層MoS2布里淵區(qū)中心，并在拉曼光譜中可以觀察到這些聲子對(duì)應(yīng)的新拉曼模式，且其頻率依賴于旋轉(zhuǎn)角度。有意思的是，晶體學(xué)超晶格所對(duì)應(yīng)的折疊聲子并未在拉曼光譜中觀察到。

在轉(zhuǎn)角雙層MoS2中，由于兩單層MoS2層間相互作用比較弱，利用moiré聲子隨旋轉(zhuǎn)角度變化的頻率可映射得到單層MoS2對(duì)應(yīng)聲子支的真實(shí)色散曲線。另外，他們還通過(guò)密度泛函理論計(jì)算研究了moiré聲子的晶格動(dòng)力學(xué)行為，moiré圖案形狀的層間相互作用通過(guò)局域原子所處的環(huán)境作用于moiré聲子，使其原子振動(dòng)在納米尺度呈現(xiàn)一定的圖案分布，這為調(diào)控聲子的動(dòng)力學(xué)行為提供了可能。同時(shí)，他們還通過(guò)改變激發(fā)光能量，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)角雙層MoS2中moiré聲子相關(guān)拉曼模式在激發(fā)光能量靠近單層MoS2的C激子時(shí)共振增強(qiáng)，即該類拉曼模式的激發(fā)來(lái)源于與C激子相關(guān)的共振拉曼效應(yīng)。

該項(xiàng)研究成果于近期在線發(fā)表在美國(guó)化學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)刊物ACS Nano上。林妙玲和譚青海為該論文的共同第一作者，譚平恒為該論文的通訊作者。這項(xiàng)成果可以推廣到其它轉(zhuǎn)角雙層二維材料和由不同二維晶體材料堆垛而成的二維異質(zhì)結(jié)，對(duì)于理解二維異質(zhì)結(jié)材料的拉曼光譜、moiré聲子、晶格動(dòng)力學(xué)、激子效應(yīng)以及層間耦合作用等具有重要意義。