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Nano Res.[半导体]│深圳大学韩成与时玉萌教授团队综述:电场调控下过渡金属硫化物异质结的层间激子动力学

本篇文章版权为韩成与时玉萌团队所有,未经授权禁止转载。

背景介绍


将单层材料相堆叠提供了一种制备新型材料并调控其物理性质的基本方法,这为探索基础物理和研发下一代光电子器件提供了新的平台。在二维材料堆叠体系中,过渡金属二硫化物(TMDC)异质结构因具有紧密结合的层间激子而展现出众多独特且新颖的特性。这些层间激子在学术界引起了广泛的关注,并展示了在开发新一代光电子器件,例如偏振和波长可调的单光子发射器、谷霍尔晶体管,甚至是高温超导体方面的巨大潜力。对于这些光电器件的开发需要全面了解这些层间激子的基本性质以及电场对其行为的影响。


成果简介


鉴于此,深圳大学韩成与时玉萌教授课题组发表综述文章,对近年来(尤其是过去五年中)电场对TMDC异质结层间激子动力学的调控的最新进展进行了总结。文章首先简要介绍了TMDC异质结层间激子及莫尔超晶格的背景知识,讨论了TMDC异质结的制备,能带结构,荧光手性选择性原理,以及莫尔势阱对层间激子的调控。随后,文章分为三个方面来介绍电场对TMDC异质结层间激子动力学的调控。第一,电场对层间激子荧光发射能量及偏振态的调控;第二,电场对层间激子谷霍尔输运的调控;第三,电场对层间激子,尤其是莫尔超晶格中激子-激子以及激子-载流子相互作用的调控。最后,在总结了目前的进展后,综述还就对这个领域中存在的挑战和未来展望进行了讨论。


图文导读


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图1 电场对TMDC异质结构中层间激子的调控,包括电场调控激子的荧光发射,谷霍尔输运,以及激子-激子,和激子-载流子的相互作用。


文章主要分三个方面来介绍电场对TMDC异质结层间激子动力学的调控。
第一,电场对层间激子荧光发射能量及偏振态的调控。层间激子由于空间分离而拥有Z方向的电偶。这使得电场可通过斯塔克效应来调节层间激子的荧光发射能量。此外,电场的掺杂效应也可使层间激子与自由载流子结合形成三子,进一步调节荧光发射能量。除此之外,由于异质结的晶体结构打破了面外方向的镜像对称,原本为暗激子态的自旋三重态拥有了与自旋单重态相似的发光强度。这两个态荧光手性相反。通过改变电场掺杂以及异质结的堆叠方式,可选择性的填满自旋三重态或自旋单重态,从而调控异质结层间激子荧光的手性。

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图2电场对层间激子荧光发射能量的调控。

第二,电场对层间激子谷霍尔输运的调控。单层TMDC材料拥有3对动量相反的能谷。这些动量相反的能谷具有符号相反的贝瑞曲率。当向材料施加面内电场时引起载流子沿纵向移动时,不同能谷中载流子因贝瑞曲率的驱动受到相反方向的等效洛伦兹力而在横向发生分离,从而产生谷霍尔效应。理论研究表明,单层TMDC材料的谷霍尔效应在堆叠为异质结后仍可以得到保留。与此同时,得益于更长的载流子谷极化寿命和谷载流子扩散距离,TMDC异质结的谷霍尔效应被预测可以在室温下观测到。这一预测首先被利用光学手段观测到。在室温下,不同能谷中的载流子以偏振分辨荧光扫描的方式被观测到沿不同方向扩散。在此之后,TMDC异质结的谷霍尔效应更是以霍尔电压的方式直接探测到。实验表明,除了调控TMDC异质结谷霍尔电压的强度,栅极电场还可以通过调控主要载流子的类型来调控该谷霍尔电压的极性。谷霍尔电压的室温探测是谷霍尔效应应用于下一代电子器件开发的重要历程杯。

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图3电场对层间激子谷霍尔输运的调控

第三,电场对层间激子,尤其是莫尔超晶格中激子-激子以及激子-载流子相互作用的调控。载流子-载流子相互作用问题是近代物理的一个基本而重要的问题。对这一问题更深入的理解是解释众多量子物理现象,比如超导的关键所在。TMDC莫尔超晶格异质结因强大的层间激子结合能,优异的光学特性,独特的莫尔周期势垒,以及灵活的电场调控而成为研究载流子-载流子相互作用问题的理想平台。在这一平台上,首先被实验观测到的强相互作用物理现象是层间激子的波色爱因斯坦凝聚温度。得益于强大的激子结合能,试验所观测到的温度达到了~100K。

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图4电场对层间激子相互作用的调控

最后,在总结了目前的进展后,作者还就对这个领域中存在的挑战和未来展望进行了讨论。作者总结了对TMDC异质结构中层间激子在电场下动力学行为的最新进展,着重介绍了电场调控层间激子发射、电场分离层间激子后的异质结构内的电荷输运,以及电掺杂和调控下层间激子与电荷的相关物理。


作者简介


通讯作者:韩成,深圳大学长聘副教授,深圳市海外高层次孔雀B类人才,博士毕业于新加坡国立大学物理系。主要从事低维纳米材料表面与界面的基础研究,以及界面调控在光电子器件与催化储能等方面的应用。目前主持国家自然科学基金与深圳市基础研究等诸多项目,已在材料、物理、化学等领域国际权威期刊上发表论文50余篇,其中以第一作者和通讯作者发表领域内顶级期刊10余篇,包括Nature Communications、Chemical Society Reviews、Advanced Materials、Nano Letters、ACS Nano、AngewandteChemie International Edition等等,总引用>2000 次。获得国际PCT和中国发明专利授权多项。


张小娴,北京交通大学光电子技术研究所副教授。主要研究方向:微纳光电子器件与纳米光电子学等。主持和参与了包括国家重点研发计划、国家自然科学基金(面上、青年)、中国科学院人才基金等多项科研项目。作为通讯作者和第一作者在Nature Communications、Nano Letters、JACS等杂志上发表了SCI学术论文70余篇。长期担任多个国际著名学术期刊包括Science Advance、Small、Nanoscale、ACS Applied Materials &Interfaces、物理学报等期刊的审稿人。多次受邀在国内外学术会议上做邀请报告。


时玉萌:国家级青年专家,深圳大学电子与信息工程学院特聘教授,博士生导师,深圳大学新锐研究生导师。现担任深圳大学第七届学术委员会委员,广东省二维材料信息功能器件及系统工程中心副主任。Editorial Board Member of iScience by Cell Press and Nanomaterials by MDPI。分别于2018,2019,2020,2021入选科睿唯安(Clarivate)物理类及材料科学类全球高被引学者(Highly Cited Researchers), 2021年入选爱斯唯尔(Elsevier)全球前2%顶尖科学家 (World’s Top 2% Scientists),光学工程领域“中国高被引学者”(Most Cited Chinese Researchers),及“终身科学影响力排行榜”榜单(1960-2021 Career-Long Impact)。时玉萌博士,2011年毕业于新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院,2011-2016年间分别于新加坡南洋理工大学,美国麻省理工学院,新加坡科技与设计大学,沙特阿普杜拉国王科技大学任Research Fellow。2016年获国家人才引进项目支持归国工作。主要研究方向着力于低维纳米信息光电材料合成制备及应用。基于对低维纳米材料生长行为的研究,可控制备多种具有独特构效特性及空间堆垛结构的新型低维材料。借助原位稳态、瞬态光电表征技术,探索低维材料表界面构效关系下的电荷输运及激子行为,拓展新型材料在半导体光电子及能源器件中的应用。目前已在Science, Chemical Reviews, Materials Today, Chemical Society Reviews, Nature Communications, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, ACS Energy Letters, Advanced Science, Nano Letters, ACS Nano, AngewandteChemie International Edition等高影响力学术期刊发表论文200余篇,总引用>22,000次,H-index 50。


课题组网站:http://2dots.hexinli.org/list-321.html


招聘信息:

课题组常年对外招聘博士后,优秀应聘者可与新加坡国立大学等海外高等院校联合培养,薪酬税后33-36万RMB/年,留深工作可获得深圳各项人才补贴政策。

研究方向:

1. 二维或低维材料光电子器件的开发、改性与功能化(逻辑电子器件、光电转换器件、存储与神经突触器件等)

2. 二维或低维光电子材料的生长及物性研究(CVD、MBE、PLD等方法,电学输运、PL/Raman光谱、SHG、偏振极化等研究)

3. 二维或低维材料的表面与界面研究(基于XPS/UPS及同步辐射光电子能谱/低温扫描隧道显微镜技术/荧光拉曼光谱技术等)

应聘条件:

1. 博士期间发表高水平SCI论文3篇及以上。

2. 事业心强,身体健康,年龄35周岁以下。

3. 博士学位在三年内取得。


文章信息


Tang J, Zheng Y, Jiang K, et al. Interlayer exciton dynamics of transition metal dichalcogenide heterostructures under electric fields. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6325-3.



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