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科研进展： CVD法直接生长层间转角可调的双层MoS2同质结
2024-08-06 
在过渡金属硫族化合物（TMD）中，通过引入层间转角或晶格失配构造莫尔人工超晶格, 可对该类材料的能带结构进行有效调控, 从而为研究其量子多体物理特性，如Mott绝缘态、Wigner晶体态和量子反常霍尔效应等提供了全新的平台。理论研究表明, 具有公度转角(如21.8°和27.8°)的双层TMD同质结也能产生超平带和较深的莫尔势阱，致使层间激子和层内激子受限于莫尔超晶格易形成莫尔激子，故该体系也是研究关联激子态的理想体系。因此，制备出界面干净、层间转角可调的过渡金属硫族化合物材料对研究莫尔超晶格调控的量子多体物理性质非常重要。
近日，窦瑞芬教授研究组通过设计实验参数发展了一种普适的直接生长转角TMD材料的方法—气体流量扰动的化学气相沉积 (CVD) 法[1-3]，并成功制备出层间转角大范围可调的双层MoS2同质结。研究发现，转角双层MoS2同质结的形成主要与CVD生长过程中载气的流量变化有关，载气流量的变化速率决定了第二层MoS2的成核位点与第一层相同(同位成核)或不同(异位成核)以及不同转角出现的几率。实验观察到，利用规则气流量扰动的CVD法生长转角双层MoS2，具有同位成核的特点，且转角主要在 8°-56°之间呈正态分布。更重要的是，研究发现公度转角 (~22°和~32°) 的形成几率远高于非公度角，达到16%，这是由于其较低的形成能所致 (见图1、图2)。此外，低温光致发光谱(PL) 研究表明，公度转角 (~22°) 的双层MoS2同质结中，层间激子的PL光谱强度明显增强且远大于中性激子光谱强度 (低温光谱，图4)，其层间激子的寿命从200ps延长至约520 ps (TRPL光谱，图5)。以上现象可归因于双层公度转角MoS2中层间激子受到较强的莫尔势阱的束缚，这与理论计算的双层MoS2莫尔势能高达100 meV一致。该研究提供了一种可控构建具有强莫尔势的转角TMD同质结的普适方法，有助于研究转角体系中关联电子以及激子特性等量子多体问题。
相关研究成果近日以“Homo-Site Nucleation Growth of Twisted Bilayer MoS2 with Commensurate Angles”为题发表在国际著名期刊“Advanced Materials”上[1]。北京师范大学物理与天文学院博士生周军和中国科学院化学研究所博士生黄昊杰为共同第一作者，北京师范大学物理与天文学院窦瑞芬教授、中国科学院化学研究所董际臣研究员和南方科技大学薛其坤院士为本论文通讯作者，北京师范大学物理与天文学院为论文的第一单位。参与本工作的还包括南方科技大学王取泉教授、武汉大学周利副教授、北京师范大学刘楠教授、聂家财教授和中国科学院物理研究所时东霞研究员以及窦瑞芬教授课题组的学生。
该研究工作得到了国家自然科学基金面上项目和清华大学低维量子国家重点实验室开放基金的经费支持。
图1 载气扰动的CVD法生长双层转角MoS2同质结的同位和异位成核策略。a, d)顶部图为同位成核和异位成核生长模式对应的Ar气流量随生长时间的变化，底部图为Ar气流量随生长时间的变化率，其中生长时间分为三个阶段：预成核阶段(I) (0~3 min)、成核生长阶段(II) (3~7 min)和合并阶段(III) (7~10 min)。b, e)同位和异位成核模式生长双层转角MoS2的示意模型。c, f) 分别为同位和异位成核模式下生长的转角双层MoS2同质结的光学显微图像，转角分别为 ~22°、~25°、~32°和~45°。
图2 双层转角MoS2同质结的转角统计分布和形成能理论计算。a, b)同位和异位成核模式生长的双层转角MoS2的角度的统计分布。c, d) DFT计算得到的具有不同角度的MoS2的体结构的(bulk)形成能分布图(c)和形成具有转角的MoS2岛时边界的形成能的相对能量分布图(d)。e, f) 双层转角的原子结构模型示意图，e)图意味着当角度较小时(小于10°)双层MoS2可以自发地旋转到稳定的AA或AB堆叠结构。
图3 同位成核模式下，CVD法制备的双层转角MoS2同质结的Raman光谱研究。a)转角为22° 的双层MoS2在A1g模式下的Raman intensity mappings图。b, c)不同转角的双层MoS2同质结的低频和高频Raman光谱。
图4 理论计算具有不同转角的双层MoS2同质结的莫尔势能和低温 (T=10K) PL光谱表征。a)光诱导MoS2中电荷分离和层间激子形成的示意图。b) 接近0°转角的双层MoS2中形成的莫尔超晶格的示意图，莫尔单元胞用黑色轮廓标出，高对称位点AA和3R堆叠区域分别用红色和蓝色圆圈突出显示。c, d) 接近0°转角的双层MoS2中K空间莫尔势能。e) 单层MoS2和不同转角的双层MoS2的室温 (T=300K) PL光谱。f) 单层MoS2和不同角度的双层MoS2的低温 (T=10K) PL光谱，实验用激光功率为0.2 mW。g) 不同转角双层MoS2在低温PL中测得的层间激子(XIE)和A激子(XA)的强度比。h) 激光功率从0.2 mW变化到0.5 mW时，双层公度角(~22°) MoS2同质结的低温PL光谱。i) 对双层公度角(~22°) MoS2同质结的低温PL光谱的高斯拟合。j) 激光功率从0.2 mW变化到0.5 mW时，双层公度角(~32°) MoS2同质结的低温PL光谱。k) 理论计算双层公度角(~22°) MoS2同质结的不同位点的电势差。l) 双层公度角(~22°) MoS2同质结的布里渊区(黑色六边形)及其组成单层(红色和蓝色六边形)。m) 双层公度角(~22°) MoS2同质结的电子能带结构。沿K路径选择如(l)中所示。
图5 THB MoS2同质结不同激子的寿命。a, b)分别用550~750 nm (XA激子)和750~900 nm (XIE激子)带通滤波器采集双层公度角(~22°) MoS2同质结的时间分辨光致发光 (TRPL) mapping图。c,d) 双层公度角(~22°) MoS2同质结的XA和XIE激子随角度变化对应的TRPL衰减曲线。e) 双层公度角(~22°) MoS2同质结对应的XA和XIE激子的TRPL光谱曲线和双指数函数拟合曲线。f, g) 双层公度角(~22°) MoS2同质结的XA和XIE激子快寿命权重
(
)和慢寿命权重
(
)与角度的依赖关系。h, i) 双层公度角(~22°) MoS2同质结的XA和XIE激子快寿命
(
)和慢寿命
(
)与角度的依赖关系。
论文链接：
[1] Zhou, J.; Huang, H.; Zhao, Z.; Dou, Z.; Zhou, L.; Zhang, T.; Huang, Z.; Feng, Y.; Shi, D.; Liu, N., Homo‐Site Nucleation Growth of Twisted Bilayer MoS2 with Commensurate Angles. Advanced Materials 2024, 2408227. DOI: 10.1002/adma.202408227
[2] Liu, Y.; Zhang, T.; Zhou, J.; Zhu, M.; Zhao, Z.; Zhang, W.; Feng, Y.; Guo, X.; Liu, N.; Nie, J., Enhanced Interlayer Interaction in Top‐Layer Twisted Trilayer MoS2 with Moiré Superlattice. Advanced Optical Materials 2024, 2400907. DOI: 10.1002/adom.202400907
[3] Zhou, J.; Cui, J.; Du, S.; Zhao, Z.; Guo, J.; Li, S.; Zhang, W.; Liu, N.; Li, X.; Bai, Q.; Guo, Y.; Mi, S.; Cheng, Z.; He, L.; Nie, J. C.; Yang, Y.; Dou, R., A natural indirect-to-direct band gap transition in artificially fabricated MoS2 and MoSe2 flowers. Nanoscale 2023, 15, 7792-7802. DOI: 10.1039/d3nr00477e
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