由于弱介電屏蔽和二類能帶排列，二維過渡金屬硫族化合物（TMDC）異質(zhì)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的層間激子（IX）在量子限制效應(yīng)下，電子波函數(shù)和空穴波函數(shù)在平面外方向重疊減小，層間電子-空穴交換相互作用受到抑制，導(dǎo)致其輻射壽命要比層內(nèi)激子大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，使得層間激子在超快能量轉(zhuǎn)移，超快電荷轉(zhuǎn)移，能谷電子學(xué)等多方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值而受到了廣泛關(guān)注。因此，得到長(zhǎng)壽命，大結(jié)合能的亮激子成為研究的關(guān)鍵，以此為目的一系列調(diào)控激子行為的嘗試如外加電場(chǎng)，應(yīng)變，合金化等被提出。尤其是，近期實(shí)驗(yàn)上證明單層 Janus 材料 MoSSe 中由原子電負(fù)性產(chǎn)生的垂直本征偶極矩增強(qiáng)了激子-聲子耦合，導(dǎo)致比純 MoS2 中有更長(zhǎng)的激子輻射復(fù)合壽命。
文章簡(jiǎn)介
基于上述背景，內(nèi)蒙古大學(xué)王舒東老師課題組提出了將本征偶極矩作為新的自由度引入異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，在大極化場(chǎng)的作用下層間激子的產(chǎn)生和重組可以通過不同界面的組合控制。研究發(fā)現(xiàn)大的本征偶極矩提高了層間耦合，導(dǎo)致自旋禁止的最低能量層間激子的振子強(qiáng)度在平面內(nèi)極化光下可與亮激子相比，同時(shí)，其壽命在 300K 時(shí)達(dá)到 7.6×10-7s。
同時(shí)當(dāng)入射光為平面外方向極化光時(shí)，BSE 計(jì)算的結(jié)果顯示在偶極躍遷選擇定則的作用下三種堆疊方式的整體吸收強(qiáng)度下降了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，表明躍遷軌道的對(duì)稱性是影響激子強(qiáng)度的主要因素之一。而在靜水壓力下，偶極矩最大的堆疊方式中層間激子壽命縮短，在 4GPa 時(shí)減小到常態(tài)的 38%。該成果以“Dipole moment and pressure dependent interlayer excitons in MoSSe/WSSe heterostructures”為題發(fā)表在Nanoscale，并被選為封面文章。
圖文解析
▲ | 圖 1. MoSSe/WSSe 異質(zhì)結(jié)構(gòu) AB 堆疊下的俯視圖和側(cè)視圖，對(duì)應(yīng)內(nèi)表面分別為 Se-S，Se-Se 以及 S-S，上層和下層分別為 MoSSe 和 WSSe。1-SSe 對(duì)應(yīng)的偶極矩為 0.34Debye，比 2-SeSe 和 3-SS 的大一個(gè)數(shù)量級(jí)。 |
▲ | 圖 2. 三種堆疊在 K 點(diǎn)附近自旋投影的準(zhǔn)粒子能帶結(jié)構(gòu)，自旋向上和自旋向下分別用紅色和藍(lán)色表示，插圖顯示的是最高的四條價(jià)帶和最低的四條導(dǎo)帶對(duì)應(yīng)的電荷分布。三種堆疊的能帶結(jié)構(gòu)都是 type-II 型，但 1-SSe 中 VBM 和 CBM 的電荷分布與 2-SeSe 和 3-SS 相反，且在 1-SSe 中，CBM 摻入了 16% 自旋向上的態(tài)。 |
▲ | 圖 3. 平面內(nèi)方向(a),(c),(e)和平面外方向(b),(d),(f)極化光產(chǎn)生的吸收光譜，平面外方向光譜強(qiáng)度放大了 10 倍，用箭頭表示最低能量層間激子，垂直虛線為帶隙位置。圖 a 中 IX0 對(duì)應(yīng)的吸收峰在本征偶極矩的影響下從暗變?yōu)榱痢 方向的吸收光譜均出現(xiàn)藍(lán)移，強(qiáng)度相比于 X-Y 方向減小約了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。 |
▲ | 圖 4. 三種堆疊方式對(duì)應(yīng)的最低能量層間激子波函數(shù)的實(shí)空間分布，空穴固定于黑點(diǎn)處。躍遷過程中不同的軌道貢獻(xiàn)導(dǎo)致 1-SSe 與 2-SeSe 和 3-SS 的波函數(shù)分布方式不同，且由于 1-SSe 的 VBM 有 WSSe 層中 S 原子的 pz 軌道參與，導(dǎo)致圖(a)中的 IX0 變?yōu)殡s化激子，有 9.7% 的電子波函數(shù)分布于 MoSSe 層。 |
▲ | 圖 5. 壓力為 0GPa，2GPa 和 4GPa 時(shí)有限動(dòng)量吸收光譜。壓力增大時(shí) K 點(diǎn)處能谷與 Λ 和 T 處能谷移動(dòng)方向相反，導(dǎo)致在考慮動(dòng)量后光譜移動(dòng)方向與 Q=0 時(shí)相反。 |
▲ | 圖 6. 壓力為 0GPa，2GPa 和 4GPa 時(shí)第一布里淵區(qū)的激子能帶圖。藍(lán)色虛線和紅色實(shí)線分別對(duì)應(yīng) Q=0 時(shí)最低能量激子和第一個(gè)亮激子。最低激發(fā)能量位于 Q≈1/2，對(duì)應(yīng) Γ 和 Λ 能谷間的間接躍遷。 |
論文信息
Dipole moment and pressure dependent interlayer excitons in MoSSe/WSSe heterostructures
Rongtian Pang and Shudong Wang*（王舒東，內(nèi)蒙古大學(xué)）
Nanoscale, 2022, 14, 3416
http://doi.org/10.1039/D1NR06204B
內(nèi)蒙古大學(xué)第一作者
內(nèi)蒙古大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，碩士研究生，研究方向?yàn)槎S材料中的激子光性質(zhì)。
內(nèi)蒙古大學(xué)通訊作者
內(nèi)蒙古大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副教授。2012 年畢業(yè)于東南大學(xué)物理系，獲理學(xué)博士學(xué)位。2012-2015 年在意大利國家研究委員會(huì)納米科學(xué)研究所表界面中心做博士后。2015 年任職于內(nèi)蒙古大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院。研究方向?yàn)榧ぷ酉嚓P(guān)激發(fā)態(tài)性質(zhì)的計(jì)算，以第一作者、通訊作者在 Nanoscale，Carbon，New Journal of Physics，Applied Physics Letter，Applied Surface Science 等期刊發(fā)表多篇論文。
