Nature Communications: 二維半導體異質結超晶格中強關聯態對層間激子的調控作用

近日，倫斯勒理工(Rensselaer Polytechnic Institute)的史夙飛、加州大學河濱分校(Univ of California Riverside)的崔永濤，以及電子科技大學的王曾暉研究組等聯合報道了WS₂-WSe₂二維半導體異質結超晶格中強關聯絕緣態對層間激子的獨特調控作用。文章近期在線發表于《Nature Communications》。

合作團隊在先前研究（Nature Physics 17, 715 (2021)）中，發現0°/60°堆疊的WS₂-WSe₂中形成的莫爾(moiré)超晶格會使得系統產生能帶色散比較平整的迷你能帶，并使用掃描微波阻抗探針技術觀察到了超晶格中的電子完全填充態（+2），莫特絕緣態（±1）以及Wigner 晶體（-1/3,-2/3）等一系列分數填充態。在這次的研究中，合作團隊進一步揭示了這些強關聯絕緣態對層間激子發光強度、波長、及谷極化的高效調控和極大增強，展示了二維異質結超晶格作為新型量子發光單元陣列的巨大潛力。

二維半導體WS₂和WSe₂具有同樣的晶格結構，同時在晶格常數上有極其微小的差異。因此當這兩種二維晶體以嚴格的0°或60°堆疊時，可以形成周期接近10納米的莫爾(moiré)超晶格，遠大于原子晶體的晶格周期（<1nm），在二維異質結中形成周期性的勢場。由于電子間具有很強的庫倫排斥相互作用，在莫爾超晶格中電子能夠實現空間有序且長周期的排布；同時由于體系的二維特性，電子間的庫倫排斥勢大大增強，使得該二維異質結系統中的電子行為展現出顯著的強關聯效應。

作為掃描探針技術的一個發展，掃描微波阻抗探針技術（microwave impedance microscopy, MIM）使用金屬針尖傳導近場微波，來實現對針尖位置樣品局域阻抗的精密測量，并有非常高的空間分辨率，對研究該二維異質結莫爾超晶格體系具有突出的優勢；而樣品的局域阻抗則能夠有效反映莫爾超晶格中這些迷你能帶的填充狀態。

研究者們通過柵壓連續調控電子的填充狀態，利用MIM監測其演化過程，同時監測層間激子發光的變化。研究者們發現，當系統處于整數和分數的填充態時，激子發光會得到顯著的增強，并發生藍移；與此同時，圓偏振光致發光數據顯示，激子發光的谷極化強度也得到了大大增強。所有這些這些層間激子在可見光頻段的變化都伴隨著微波頻段電導的極小值，有力地證明了莫爾超晶格中的強關聯電子態和層間激子的高效相互作用。這一結果為利用基于二維半導體異質結的莫爾超晶格來開發新型量子發光單元陣列提供了新的思路。

論文的共同第一作者包括繆勝男，王天盟，黃雄和陳東學博士。倫斯勒理工史夙飛教授、加州大學河濱分校崔永濤教授和電子科技大學王曾暉教授為本文的共同通訊作者。合作者還包括來自卡耐基梅隆大學、亞利桑那州立大學以及日本國立材料科學研究所的研究者。

論文鏈接：http://dx.doi.org/10.1038/s41467-021-23732-6?

器件結構和能帶結構示意圖，層間激子發光隨柵壓的變化過程，以及莫爾超晶格中不同填充態的示意圖。圖片來源及版權：Nature Communications及論文作者

掃描微波阻抗探針測得局域阻抗隨柵壓的變化過程，及其與層間激子發光峰位的對應關系。右圖為左圖局部區域的細節放大。圖片來源及版權：Nature Communications及論文作者

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