MoS2/WS2范德瓦尔斯异质结的外延生长及其层间耦合作用的研究

AMzhangguangyu二维材料近年来以其独特的电子和结构特性赢得了广泛关注。单层的石墨烯、氮化硼、过渡金属硫属化物 (MoS2, WS2, WSe2等)为这个体系提供了丰富的材料选择,也为构筑不同的范德瓦尔斯异质结构提供了材料基础。这类异质结构靠范德瓦尔斯作用力结合在一起,理想情况下,具有原子级平整的接触界面和达到极限的结区厚度(仅为两个原子层)。尽管厚度极薄,但这类结构却拥有很高的柔韧性以及化学稳定性,在发光二极管、太阳能电池、光电探测器等领域具有巨大的应用应用潜力。

通常情况下,范德瓦尔斯异质结构的光电特性会受到了层间耦合的调制。例如,把单层的MoS2和WS2垂直堆叠起来时会形成第二类异质结,层间耦合作用将使能带重构。为了利用它们的光吸收和电荷转移特性来构筑光伏器件或垂直隧穿晶体管,MoS2或WS2中的光生载流子必须在复合之前发生有效的转移;而有效的电荷转移则会受层间的耦合作用调制。那么,表征这类范德瓦尔斯异质结构中的层间耦合作用,以及耦合作用如何影响光异质结的电特性,是范德瓦尔斯异质结构研究中的重要科学问题。

最近,中国科学院物理研究所纳米物理与器件实验室张广宇研究员领导的团队与北京大学刘开辉教授团队和燕山大学向建勇教授团队合作,通过两步外延生长法得到垂直堆垛的MoS2/WS2范德瓦尔斯异质结构。实验发现,相对于其他转角的堆垛方式,当上下两层WS2和MoS2具有公度的晶体结构时,即上下两层的相对转角为θ=0°(AA)或θ=60°(AB),层间距最小,层间耦合作用最强。在AA和AB堆垛的MoS2/WS2异质结中,由于较强的层间耦合作用的存在,使得特征拉曼振动模式—层间剪切模—可以被直接观测到。同时,较强的层间耦合作用也会导致异质结界面处会发生有效的电荷转移,从而在1.98 eV附近观察到一个由于空间分离的层间载流子的复合所导致的额外的激子发光峰。该工作深入地阐述了层间耦合作用对异质结光电特性的影响,为构筑相关高性能光电子器件提供了基础。相关工作发表于Advanced Materials(10.1002/adma.201504631)。