半導(dǎo)體所等在莫爾異質(zhì)結(jié)層間激子研究方面取得進展

近日，新加坡南洋理工大學(xué)高煒博教授與中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體超晶格國家重點實驗室張俊研究員合作，利用施主-受主對(DAP)模型解釋了二維MoS2/WSe2莫爾異質(zhì)結(jié)中密集且尖銳的局域?qū)娱g激子(IX)發(fā)射現(xiàn)象，并建立了DAP IX的動力學(xué)模型，很好地解釋了層間激子壽命與發(fā)射能量的單調(diào)依賴關(guān)系。2023年9月18日，相關(guān)研究成果以“MoS2/WSe2莫爾異質(zhì)結(jié)中的層間施主-受主對激子”(Interlayer donor-acceptor pair excitons in MoSe2/WSe2moiré heterobilayer)為題在線發(fā)表于《自然·通訊》。張俊研究員和高煒博教授為論文的共同通訊作者，新加坡南洋理工大學(xué)Hongbing Cai博士為論文第一作者，半導(dǎo)體所來嘉敏博士為論文第四作者。

DAP躍遷起源于電離施主與受主之間的庫倫相互作用?；贒AP躍遷模型，發(fā)射光子的能量可以表示為：

其中EA和EB分別為缺陷能級的能量，Rm為第m近鄰的施主與受主之間的距離，由晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)決定，表示施主與受主之間的庫倫相互作用。分立的Rm值導(dǎo)致了光譜中觀察到的一系列尖峰，隨著Rm增大，尖峰之間的間距減小，變得不可分辨，形成一個寬峰。2022年，張俊研究組與高煒博教授和澳大利亞悉尼科技大學(xué)Igor Aharonovich教授合作，提出并通過實驗證明了hBN中寬譜密集的單光子發(fā)射的DAP躍遷機制，為設(shè)計基于hBN的量子光源和量子器件提供了基礎(chǔ)。

相關(guān)研究成果以“Donor-Acceptor Pair Quantum Emitters in Hexagonal Boron Nitride”發(fā)表在Nano Letters上(22, 1331–1337 (2022)，https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c04647)。在最近的工作中，研究團隊將DAP模型推廣到二維MoS2/WSe2莫爾異質(zhì)結(jié)中，很好地解釋了密集且尖銳的局域?qū)娱g激子(IX)發(fā)射現(xiàn)象，并建立了DAP IX的動力學(xué)模型，揭示了層間激子壽命與發(fā)射能量的單調(diào)依賴關(guān)系。

二維過渡金屬硫族化物(TMDs)異質(zhì)結(jié)是研究強相關(guān)電子現(xiàn)象和量子光電子學(xué)應(yīng)用的理想平臺。由于晶格常數(shù)的差異或特定的轉(zhuǎn)角堆垛形成的莫爾超晶格不僅可以增強電子-電子相互作用，還會產(chǎn)生局域的層間激子(IX)，即電子和空穴分別位于不同層中。在TMDs莫爾異質(zhì)結(jié)的熒光譜中的一個有趣現(xiàn)象是可以觀察到許多尖銳且密集的IX發(fā)射峰。

盡管磁光光譜的實驗結(jié)果顯示其中某些峰與帶邊激子態(tài)相關(guān)，但無法解釋如此密集的(高達50條以上)的發(fā)射峰。探究IX的發(fā)射機制對于相關(guān)的相操控以及單光子發(fā)射工程是非常緊迫的關(guān)鍵問題。

研究團隊首先提取出IX發(fā)射峰的峰位，并與DAP模型預(yù)測的峰位進行比較。如圖1所示，實驗結(jié)果中75%以上的峰都可以與理論計算的峰位匹配得很好，說明了DAP模型與實驗結(jié)果的一致性。進一步，研究團隊通過能量和時間分辨的熒光測試證實了DAP模型的合理性。

時間分辨的熒光結(jié)果可以由雙指數(shù)衰減函數(shù)擬合，說明至少有兩種不同的態(tài)參與發(fā)光，即DAP IX態(tài)和帶邊的IX態(tài)。提取出的衰減速率k1和k2在特定能量下達到最大值，這種行為可以由DAP IX的動力學(xué)以及DAP IX與帶邊IX的耦合來解釋。對于的情況，衰減速率可以近似表示為，，其中式中kDAP為DAP IX總衰減速率，knr為DAP IX的非輻射衰減速率，kr0為DAP IX最大輻射衰減速率，RB為施主(受體)玻爾半徑，kIX為帶邊IX衰減速率，D為帶邊IX與DAP IX之間的耦合率。

考慮到DAP和帶邊IX之間的耦合，RB和D的值取決于這兩個IX態(tài)之間的能量差。當(dāng)兩者能量相同時，耦合率最大。與帶邊激子的耦合會增加DAP IX的波爾半徑，當(dāng)峰值能量等于帶邊IX能量時，RB和D都達到最大值，由此可以得到k1和k2的最大值。如圖2所示，該模型與實驗結(jié)果非常吻合，進一步證實了DAP IX機制。

此外，在功率依賴的時間分辨測量中，衰減速率表現(xiàn)出先減小隨后增加的趨勢，這也可以由DAP IX和帶邊IX之間的退耦合解釋：在小功率下DAP IX與帶邊IX共振，隨著功率增加二者能量差增大，導(dǎo)致兩種激子態(tài)退耦合，因此波爾半徑減小，k1減??；隨著功率繼續(xù)增加，DAP IX和帶邊IX退耦合效應(yīng)不再顯著，功率引起的非輻射衰減速率增加占主導(dǎo)作用。

這一工作為二維異質(zhì)結(jié)中的局域?qū)娱g激子的發(fā)射機制提供了新見解，揭示了莫爾超晶格中的無序態(tài)(DAP IX)與超晶格勢態(tài)(帶邊IX)之間的相互作用。在應(yīng)用方面，局域IX發(fā)射的多峰特性和電場可調(diào)性表明它是一個多功能的量子發(fā)射平臺?？梢酝ㄟ^控制樣品大小來減小發(fā)射峰數(shù)量，進一步還可以通過控制原子位置的方法按需產(chǎn)生和操縱層間激子發(fā)射，這對于基于二維半導(dǎo)體的量子信息和模擬有著重要的意義。

圖1. DAP IX熒光光譜。(a-c) IX PL光譜。(d)范德華異質(zhì)結(jié)中的DAP IX示意圖。(e-g)理論計算的DAP IX峰位和實驗結(jié)果比較。(h) DAP模型的擬合度。

圖2. 局域IX發(fā)射的壽命能量關(guān)聯(lián)。(a) IX熒光光譜隨時間變化。(b)實驗裝置。(c-f)能量和時間分辨的局域IX發(fā)射，及對應(yīng)的衰減速率和能量的關(guān)系





審核編輯：劉清