二维光电子学:WS2-WSe2异质层中扭曲角依赖的层间激子扩散(Nat. Mat. 2020)

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最近的一项实验和理论研究揭示了扭转层对范德华异质结构的影响,过渡金属二硫化合物(TMDCs,MXenes)异质双层膜中的激子输运被两层膜的扭曲角所调节,从而产生moiré势。瞬态吸收显微技术表明,WS2-WSe2异质双层膜在较高温度下激子衰变率较长,当层扭曲60°时更长。理论学家Agnieszka-Kuc、Thomas-Brumme和Jens-Kunstmann对观测到的激子动力学进行了解释:

采用自旋轨道耦合DFT方法,在二维带周期边界条件下,分别计算了在0°和60°扭转角下异质双层膜的能带结构。在异质双层WS2-WSe2激子中,空穴优先处于WSe2价带,而电子则在WS2导带中运动。在该导带中,Q点的能量比K点低。由于K-K激子衰变现在是热激活的,温度越高,K电子的布居数越高,衰变率越长。由于60°扭转角处的能量差ΔEK–Q比0°处的能量差小,Q到K的后向散射效率更高,导致K-K衰减率更长。

WS2-WSe2异质双层膜在能量上有利于K-Q层间激子,从K价带最高点向Q导带最低点跃迁能最低,因此直接K-K衰变是热激活的,ΔEK–Q衰减率取决于扭转角。

示例输入文件可供参考(点击下载)。但需要注意,在WS2和WSe2单层(ML)晶格之间存在约4%的晶格失配。一个完全相称的晶格需要在一个单元中有几千个原子,目前对自旋轨道耦合DFT计算还不可行。取而代之的是,对称的6原子体系被用于三个晶格:在WS2-ML弛豫晶格、WSe2单层弛豫晶格和平均晶格。WS2有所拉伸,WSe2则被压缩,这会导致能带结构有所偏差。

扭曲只是调整二维半导体光电特性的可能性之一,在密度泛函计算的指导下,关于异质双层膜扭曲如何影响激子动力学的理解,有助于进一步发展量子光子学器件。在即将到来的欧盟项目中,将进一步发展AMS软件在研究二维半导体光电特性方面的功能。

参考文献:

L. Yuan, B. Zheng, J. Kunstmann, T. Brumme, A. Kuc, C. Ma, S. Deng, D. Blach, A. Pan, L. Huang, Twist-angle-dependent interlayer exciton diffusion in WS2–WSe2 heterobilayers, Nature Materials, 19, 617–623(2020)

 
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