最新Nature Materials：熱誘導原子重構過渡金屬硫化物零轉角完全相稱異質結構

一、【導讀】

二維層的范德華(vdW)異質結構由于其前所未有的物理性質而被廣泛研究，包括在魔角石墨烯雙分子層中的超導性和Mott絕緣相，以及在扭曲過渡金屬二硫化物中的莫爾層間激子和量子力學雜化電子態。因此，二維層間的扭轉角被認為是決定扭曲vdW異質結構電子和光學性質的關鍵參數。然而，最近的報道表明，扭曲雙層通過非常規的原子重建來緩解應變，由于原子重建所需的高能量，大扭轉角的雙層堆疊形成了波紋超晶格結構，幾乎為零堆疊的雙層轉變為由不相稱邊界分隔的周期性相稱域，具有重整的電子帶結構。雖然零扭曲雙層結構在理論上是能量穩定的，但由于機械限制的不準確性和自發重建不可避免地形成不相稱區域，在獲得完美的晶體取向方面仍然存在挑戰。

二、【成果掠影】

近日，韓國首爾國立大學Gwan-Hyoung Lee團隊提出了一種方法，通過封裝退火對隨機堆疊的過渡金屬二硫化物多層膜進行熱誘導原子重建，獲得具有零扭轉角的完全相稱異質結構，整個過程不受堆疊樣品扭轉角和晶格錯配的影響，在整個堆疊區域產生H型或R型完美排列的晶體取向，而在相鄰層中產生相反的應變。此外，還證明了使用化學氣相沉積TMD選擇性地形成了具有無縫橫向結的R型和H型完全相稱相。所得到的完全相稱異質結構即使在室溫下也表現出層間激子的強光致發光增強，這是由于電子帶邊緣在動量空間中排列而達到熱極限。該項工作不僅展示了一種制造具有R型和H型構型的零扭曲二維雙層結構的方法，而且還為研究其未開發的性質提供了一個平臺。相關研究成果以“Thermally induced atomic reconstruction into fully commensurate structures of transition metal dichalcogenide layers”為題發表在國際著名期刊Nature Materials上。

三、【核心創新點】

通過熱誘導原子重建，提供了一種制造具有R型和H型構型的零扭曲二維雙層結構的方法

四、【數據概覽】

圖1扭曲TMD vdW異質結構中的原子重構為完全相稱結構

a，由不同堆疊類型(R-堆疊和H-堆疊)的石墨烯(Gr)或hBN封裝的扭曲TMD雙層示意圖。b，不同堆疊類型的Gr/WSe₂/MoSe₂/Gr異質結構的光學圖像。偽彩區域表示R-stack(黃色)和H-stack(藍色)WSe₂/MoSe₂異質層。c,d, H-stack WSe₂/MoSe₂異質層(θ = 46.9°)堆疊(c)和退火(d)時的高倍率HAADF-STEM圖像(左)和SAED圖像(右)。

圖2堆疊類型和扭轉角對熱誘導原子重構的影響

a，扭曲TMD雙層的總vdW能量隨扭轉角的函數示意圖。b-f，扭曲TMD在(b-d)和(e,f)退火前的原子結構示意圖。b, 3R + IC；c, 2H + IC；d, IC；e, R-FC；f, H-FC。橙色、黃色、藍色和紫色結構域分別代表AB (3R)、BA (3R)、2H和IC。紅色、橙色和藍色圓圈分別代表W、Mo和Se原子。(IC-不相稱；FC-完全相稱)

圖3 FC異質結構的結構特征

a,b，退火后WSe₂/MoSe₂ (θ = 29.5°)部分重疊區域的HAADF-STEM圖像。c，退火后H-FC WSe₂/MoSe₂中1L-TMD六邊形區域的HAADF-STEM圖像。d，單晶WSe₂和多晶MoSe₂部分重疊區域的HAADF-STEM圖像。插圖顯示扭曲的WSe₂/MoSe₂的光學圖像。e, d中紅邊框的放大HAADF-STEM圖像。圓圈代表Mo(橙色)和Se(藍色)原子，紅色菱形代表MoSe₂的鏡像孿晶界。

圖4 hBN包封H-WSe₂/MoSe₂在室溫下的PL測量

a, H-WSe₂/MoSe₂ (θ = 45.5°)退火前后的層間激子PL譜。b, H-WSe₂/MoSe₂第一個BZ退火前后示意圖。Κ和Κ’表示TMD的第一個BZ角。圓圈代表電子(紅色)和空穴(藍色)。c, H- WSe₂/MoSe₂ (θ = 45.5°)退火前后的層內激子PL譜。d, MoSe₂ (XM)和WSe₂ (XW)經封裝退火后層內激子PL峰位移。數據來自五個不同的樣本。中位數由方框中的中心線表示，方框包含數據集的第25-75的百分位數，晶須表示最小值和最大值。

圖5 hBN封裝的H-WSe₂/MoSe₂在77 K下的PL測量

a， θ = 58.7°和45.5°H-stack WSe₂/MoSe₂退火前后的PL譜圖。IXM表示寬層間激子(IX) PL峰，IXT和IXS分別表示自旋單重態和自旋三重態層間激子。b,c, 堆疊(b)和h型FC (c) WSe₂/MoSe₂異質層Κ和Q谷的能帶結構示意圖。圓圈代表電子(紅色)和空穴(玉色)。實線和虛線分別表示自旋向上和自旋向下的波段。d, H-stack WSe₂/MoSe₂中IXs PL峰的半峰寬。本研究中H-FC的數據來自6個不同的樣品。中位數由方框中的中心線表示，方框包含數據集的第25-75的百分位數，晶須表示最小值和最大值。

五、【成果啟示】

該研究展示了一種通過隨機堆疊的TMD層的封裝退火來實現零扭轉角和零晶格錯配的FC結構的方法。該方法促進了R型和H型FC結構的選擇性形成，這些結構可以很容易地在沒有外延生長的情況下獲得。由于其結構與對準的動量坐標相匹配，FC異質結構表現出層間激子的強PL增強。這些結果不僅提供了一種制造具有R型和H型構型的零扭曲二維雙層結構的方法，而且為研究層間激子、層間谷和層間鐵電性等vdW異質結構的未開發性質提供了一個有希望的平臺。特別是，R-FC有望用于研究由3R-TMD均勻層的本征電極化引起的鐵電或光伏特性。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-023-01690-2

本文由小藝撰稿