Nature Nanotechnology：逐層堆疊的異質外延范德華半導體超晶格

【背景介紹】

幾十年來，半導體超晶格(SLs)作為現代電子學、光子學和顯示技術中各種異質結器件的材料平臺，是原子厚度范圍內兩種交替半導體的周期性分層結構。這種突出的SLs的例子可以用于具有高電子遷移率的晶體管的III-ⅴ族化合物半導體激光器(GaAs/AlGaAs和GaInAs/AlInAs)和量子級聯激光器，用于發光二極管的GaN/AlGaN?SLs和用于應變硅互補金屬氧化物半導體的Si/Ge?SLs。其中，組成半導體通過晶格匹配相干性在異質界面上“共價鍵合”，其中二維(2D)電荷載流子根據層間耦合強度的程度形成不同的量子阱(QW)結構。與此同時，范德瓦爾斯(vdW)半導體通常源于過渡金屬二硫化物(TMDCs，MX₂，其中M和X分別代表過渡金屬離子和硫屬元素離子)，自然會在無化學鍵的vdW間隙中產生單位單層(ML)內的固有2D限制。這種vdW半導體ML顯示出不同的電子結構，因此它們有希望通過將各種結構精確地集成到SLs中來創造一種新的vdW QW結構。盡管對不同vdW ML的雙層疊層進行了廣泛的研究，以研究新類型的層間激發，例如層間激發和扭轉角相關的強相關性，但對vdW ML的QW態了解較少，主要是因為它們不能通過精確的逐層膜合成獲得。

近日，浦項科技大學的Moon-Ho Jo等人在Nature Nanotechnology上發表成果，題為“Heteroepitaxial van der Waals semiconductor superlattices”。報道了具有可編程堆疊周期的vdW SLs的原子逐層外延生長，該SLs由兩種以上不同的TMDC MLs組成，例如MoS₂、WS₂和WSe₂。通過金屬-有機化學氣相沉積在近平衡極限下使用動力學控制的vdW外延，實現了精確的逐層堆疊，沒有層間原子混合，形成了可調諧的二維vdW電子系統。例如，通過利用相干二維vdW異質界面上的一系列第二類能帶排列，證明了谷極化載流子激發——vdW ML半導體中最顯著的電子特征之一——在光激發上與 (MoS₂/WS₂)n SLs中的堆疊數n成比例。

【圖文導讀】

圖1. 單層堆疊的MoS₂/WS₂?SLs 異質外延

a. 從1到7層單層堆疊結構的橫截面HAADF-STEM圖像。

b. MoS₂/WS₂SLs橫截面HAADF-STEM圖像。

示意圖(左)和亮場STEM圖像(右)，以及相干SL堆棧(c)和非相干堆棧(d)的相應原子模型模擬。

e. SLs的原子晶面圖解。

f. 9層堆疊的MoS₂/WS₂SLs的2D GI-WAXD圖。

g,h. MoS₂/WS₂?SLs和9層MoS₂沿q_z?(g)和q_xy?(h)方向的1D線切割圖。

圖2. 周期可調的vdW SLs的設計異質外延

a-e. 橫截面的HAADF-STEM圖。?a. MoS₂/WS₂?SLs7層；b. MoS₂/WS₂?SLs 8層; c. WSe₂/WS₂?SLs 6層；d.?WSe₂/MoS₂/WS₂三層；e. WSe₂/graphene/WS₂?3層。

圖3. WSe₂/WS₂/MoS₂三層面內晶體織構的異質外延演化

a-c. 金屬有機源原子的熱力學能量圖以及單層堆疊的外延生長模型a: 第一次MoS₂；b:第二層WS₂；c. 第三層WSe₂。

d-f.?c-藍寶石上部分覆蓋和完全覆蓋的MoS₂單層，在MoS₂上的WSe₂單層(e),?在WS₂/MoS₂上的WSe₂?(f)的一系列原子力顯微鏡圖像和沿虛線的高度分布。

g-k. 帶有相應原子模型的面內HAADF-STEM圖像：（g）在AA’疊層區域的WS2/MoS2雙層；（h）AC堆棧；（i）非相干堆棧；（j）在AA′和AC疇之間的界面處；（k）AA’和AA’結構域。

圖4. II型二硫化鉬/二硫化鎢單晶體中的谷極化層間激發

a. 從一系列(MoS₂/WS₂)_nSLs(頂部)以及MoS₂MLs和WS₂?MLs(底部)收集的光學吸收光譜。

b,c. 真實空間(b)和動量空間(c)中用光學CD激發谷偏振的圖解。

d. 在77 K下從一系列(MoS₂/WS₂)_nSLs獲得的時間分辨CD響應。

小結

本文報道了用逐層異質外延方法生長周期可調的vdW半導體SLs。驗證了SLs中vdW異質界面上的相干原子堆積順序。這種相干vdW空間光調制器展示了一套新的可調諧2D電子系統，為研究各種固態現象提供了挑戰性的機會，以實現未探索的特性和功能。通過外延生長SLs的designer vdW，可以作為一種新型QW態的可擴展平臺，具有獨特的vdW接口。

文獻鏈接：Heteroepitaxial van der Waals semiconductor superlattices.?Nature Nanotechnology, 2021, DOI:?10.1038/s41565-021-00942-z?

本文由納米小白供稿。?