加州大學和斯坦福大學Nat. Nanotech.：范德瓦爾斯異質結構中的超快動力學

【引言】

過渡金屬二硫化物（TMDC）半導體（MX₂層具有2H對稱性，M=Mo、W；X=S、Se、Te的MX₂層），在單層厚度處具有直接間隙。它們具有的光與物質之間強烈的相互作用，極大地增強了電子-電子相互作用。單層TMDC的激子結合能是數百毫伏電子，比典型的硅半導體大兩個數量級。單層TMDC為研究和控制與能量簡并K和K'谷相關的谷自由度，提供了極好的平臺。由于強自旋軌道相互作用，TMDC中的谷贗自旋耦合到電子/空穴自旋。TMDC層中范德瓦爾斯（vdW）異質結構的形成，影響其激發態動力學范圍，從層內激子的解離和層間激子的形成到自旋和谷極化的弛豫。vdW異質結構提供了控制和優化組成材料的動態響應的有效方式。在本綜述中，作者分析了TMDC異質結構中，電子動力學的最新進展，從飛秒延伸到微秒。在短時間尺度（?1ps）下，動力學主要受異質結構中的電荷轉移和能量弛豫過程的支配。在較長的時間尺度（?1ps），層間激子的重組和自旋和谷自由度的松弛相關。

【成果簡介】

近日，美國加州大學伯克利分校的Feng Wang和斯坦福大學的Tony F. Heinz（共同通訊）作者等人，分析了過渡金屬二硫化物（TMDC）異質結構的獨特激發態動力學。TMDC單層膜是研究最廣泛的二維半導體，具有突出的激子態和可達到的谷自由度。許多TMDC異質結構的特征是交錯的能帶排列。該能帶排列異質結構中的激發態的演變具有重要作用，包括層之間的超快電荷轉移，層間激子的形成，以及駐留載流子中長壽命的自旋和谷極化的存在。本文回顧了最近的實驗和理論研究，闡明了TMDC異質結構中的電子動力學，從飛秒的時間尺度延伸到微秒，討論這些效應對于光電子，谷電子和自旋電子器件中的潛在應用的相關性。相關成果以“Ultrafast dynamics in van der Waals heterostructures”為題發表在Nature Nanotechnology上。

【圖文導讀】

圖 1 TMDC垂直范德瓦爾斯（vdW）異質結構的能帶排列

（a）MoS₂/WS₂垂直異質結構中的電子態計算圖；

（b）I型（頂部）和II型（底部）能帶排列的異質結構中的電荷轉移的示意圖；

（c）Perdew-Burke-Ernzerhof泛函（DFT-PBE）（藍色）和G₀W₀（粉紅色）從頭算密度泛函理論計算各種TMDC的帶邊能量圖。

圖 2 垂直TMDC異質結構中超快速電荷轉移的分析

（a）MoS₂/WS₂異質結構的示意圖和能量分辨瞬態吸收光譜圖；

（b）MoS₂/MoSe₂異質結構（藍色）和單層MoS₂（紫色）的示意圖和時間分辨差分反射圖；

（c）不同扭轉角的MoS₂和MoSe₂異質結構中的電荷轉移（紅色陰影）和重組（藍色）時間圖；

（d）在MoS₂/WS₂/MoS₂三層異質結構中，MoSe₂ A激子的能量激發后，MoS₂ A激子的能量的差分反射圖

（e）MoS₂/MoSe₂中的光致發光猝滅圖；

（f）MoS₂/WS₂異質結構中的吸收能量特征圖。

圖 3 TMDC異質結構中電荷轉移的魯棒性和超快性的理論分析

（a）聲子介導的電子轉移的示意圖；

（b）空穴轉移示意圖；

（c）兩層扭曲布里淵區的俯視圖；

（d）空穴傳遞的布里淵區的俯視圖。

圖 4 TMDC材料中自旋谷信息載體的動態分析

（a，b）不同外部磁場下，單層TMDC材料中的三價（a）和駐留電子（b）的自旋谷動力學圖；

（c）對齊排列的WSe₂/MoSe₂異雙層的時間分辨光致發光圖；

（d）電荷中性時，大扭曲角WSe₂/MoS₂異質結構中谷極化空穴群、總空穴數和谷極化的衰變動態圖；

（e）大扭轉角WSe₂/MoS₂異質結構中，載流子濃度的函數的空穴群（藍色）和自旋谷（紅色）壽命圖；

（f，g）電子摻雜（f）和空穴摻雜（g）異質結構中，層間電子-空穴復合過程的示意圖。

圖 5 WSe₂/MoS₂異質結構中間隔散射的潛在起源

（a）與溫度有關的谷極化衰變動態圖；

（b）間隔散射時間的溫度依賴性；

（c）單層MoS₂的共振拉曼光譜；

（d）在2.0 eV附近激發，K點聲子的雙共振拉曼過程圖。

圖 6 vdW異質結構中的自旋谷傳輸

（a）器件左邊緣的純自旋谷不平衡的光學激發，產生向右流動的純旋轉谷擴散電流，沒有任何相關的充電電流圖；

（b）空間和時間分辨泵浦-探針光譜成像旋轉谷電流的光束聚焦到樣品上的線圖；

（c）實驗測量異質結構中，純谷不平衡的時空演變圖；

（d）擴散衰減模型的10¹² cm^-2的初始空穴摻雜的結果的模擬圖。。

【結論和展望】

盡管范德瓦爾斯異構結構中，激發態的研究取得一定的進展，但在理解電荷轉移過程、自旋和谷松弛動力學方面，仍然存在許多問題。在TMDC異質結構中，電荷轉移過程的完整圖像仍然難以獲得。盡管在TMDC單層和異質結構中，都存在強烈束縛的激子。但到目前為止，這種機制并未完全解釋了電子和空穴之間的庫侖相互作用。雖然可以說激子態是準粒子帶狀態的疊加，但是激子相關性的定量圖像仍然是挑戰。在這種情況下，影響激子相互作用的異質結構的介電環境，是否也影響電荷轉移過程的速率和效率是非常有趣的。此外，TMDC中庫侖相互作用的電介質變化，改變了準粒子帶結構，提供了Q和Γ谷在電荷轉移過程中作用的測試途徑。其次，在時間分辨率上，電荷轉移的時域探針受到儀器響應函數的限制，通常不能產生精確的電荷轉移時間。此外，光學測量具有有限的空間分辨率，在兩層之間形成平均莫爾圖案。這可能導致改變電荷轉移時間的預測趨勢。通過改進的時間分辨率和/或空間分辨率克服這些限制。同樣，關于TMDC異質結構中的自旋和谷值動力學存在許多突出問題。需要做更多的工作，才能完全理解它們在TMDC異質結構中的內在動力學、動力學對成分TMDC材料的依賴性，它們的相對晶體學排列以及它們在多層中的堆疊順序。

文獻鏈接：Ultrafast dynamics in van der Waals heterostructures（Nature Nanotechnology, 2018, DOI: 10.1038/s41565-018-0298-5）。

本文由材料人編輯部張金洋編譯整理。

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