Sci.,Adv.,层工程化的层间激子

成果介绍

二维过渡金属二硫族化合物（TMD）由于其优异的光电性质而受到了广泛的关注。然而，当TMD材料的厚度从单层增加到几层时，其能带结构会从直接带隙到间接带隙的变化，从而导致其光致发光(PL) 迅速淬灭。由过渡金属二硫化物堆叠形成的异质结，具有典型的II型能带排列, 即导带底和价带顶分别来自上下两层TMD材料。在这种异质结里形成的层间激子（电子空穴对） (IX)，电子和空穴分别分布在上下两层TMD材料。相比层内激子，这些层间激子有许多独特的性质：纳秒量级的寿命，电场可调节的发光，高的谷偏振度等。

有鉴于此，近日，新加坡南洋理工大学高伟博教授，新加坡科技设计大学杨声远教授以及新加坡国立大学K. S. Novoselov教授（共同通讯作者）等研究表明可以通过设计WSe₂/MoS₂异质结的层数来实现直接跃迁激子和间接跃迁激子的调控。具体来说，在WSe₂/MoS₂异质结中，其层间激子的空穴来源于WSe₂的价带顶，而电子来自于MoS₂的导带底。单层和两层WSe₂的价带顶都位于动量空间的K点，而单层到多层的MoS₂的导带底都位于动量空间的K点。通过设计不同的WSe₂层数或者MoS₂层数，从而可以在多层的异质结里实现直接激子和间接激子的调控。本文报道了来自这些多层异质结的层工程化层间激子发射，发现这些层间激子的发光波长能被有效的调控。此外，正如谷电子器件所期望的那样，与单层-单层异质结相比，在1L-WSe₂/mL-MoS₂异质结中产生的层间激子的寿命、谷极化度和谷寿命都可以得到显著改善。本文的研究结果为通过层数工程控制层间激子的性质铺平了道路。文章以“Layer-engineered interlayer excitons”为题发表在顶级期刊Science Advances上，第一作者为谭青海博士。