Sci. Adv.: 二维平面量子阱超晶格的位错驱动生长

【引言】

近年来，二维（2D）材料由于其独特的性能和良好的应用前景而引起了研究人员的广泛关注，其出现引发了对新型异质结的研究。最近科研人员已经获得高质量的二维多重异质结及超晶格等功能化结构，然而受限于目前的微纳加工和生长技术，所制备的图案化人工超结构尺度仍然较大，构筑宽度小于5纳米的具有显著量子特性的功能化二维超晶格结构仍然是一个挑战。

【成果简介】

 近日，中国科学院大学物理科学学院及中国科学院拓扑量子计算卓越创新中心的周武研究员、张余洋副教授等与多个课题组合作，利用了2D平面侧向异质结中两种半导体材料之间的界面失配位错驱动二维量子阱的生长，构筑了半导体单层内高质量的宽度小于2纳米的量子阱以及量子阱超晶格。同时结合原子分辨的电镜结构表征和理论计算，揭示了此类新型二维量子阱超晶格的生长机制。该研究为制备高质量二维超晶格结构提供了新的思路。该研究发表于Science Advances，题为“Dislocation-driven growth of two-dimensional lateral quantum-well superlattices”。

 【图文导读】

图1. 嵌入单层WSe₂晶格内的WS₂量子阱结构和应变分析

（A）宽度为1.2nm的WS₂量子阱的原子分辨率STEM-ADF图像。黄色虚线突出显示了WS₂量子阱和WSe₂晶格之间的共格界面。 六边形强调格子的方向。

（B和C）与（A）中同区域的能谱成像分析分别显示了WS₂和WSe₂的空间分布。

（D和E）为WS₂量子阱的高分辨率STEM-ADF图像以及相应的原子结构模型。

（F到H）整个65 nm长的WS₂量子阱的STEM-ADF以及量子阱周围相应的应变分布。

（I和J）为STEM-ADF图像，显示了（F）中WS₂量子阱顶端的位错核的原子排列和相应的原子模型。

图2. 在WSe₂/WS₂平面侧向界面处的周期性位错阵列的形成和WS₂量子阱的位错驱动生长

（A）图显示（I）周期性位错阵列的形成，（II）WS₂量子阱的位错驱动生长，和（III）WSe₂ / WS₂侧向异质结中2D量子阱超晶格的形成。

（B）未形成WS₂量子阱的WSe₂ / WS₂侧向界面的STEM-ADF图像。外延界面由黄色虚线突出显示。

（C）相应的应变分布，叠加在ADF图像上，显示在异质界面处形成周期性位错阵列。

（D）WSe₂ / WS₂侧向界面的STEM-ADF图像与WS₂量子阱的形成。 WS₂量子阱显示为具有相同宽度的暗条纹。

（E）对应的应变图，叠加在ADF图像上，显示在每个WS₂量子阱的顶端存在位错核。

图3. WSe₂中WS₂量子阱的生长机制

（A）由于晶格失配而在WS₂/WSe₂界面处的5|7位错的原子模型，

（B）位错通过插入W原子和S₂对发送攀移进入WSe₂，

（C）用S取代位于5|7位错五角形处的Se原子，

（D）随后在5|7位错旁以S取代了Se原子，产生了一个四单胞宽度的WS₂纳米种晶。

（E）不同水平的压缩应变下S_Se取代的能垒。

（F）基于（B）中原子模型的键长分析的应变图。绿色虚线表示WS₂/WSe₂界面。

（G）结构模型显示在重复插入-置换过程六次后四个单胞宽和六个单胞长的WS₂带。

图4. 生长具有原子级锐利侧向边界的二维量子阱超晶格。

（A）用HSE06泛函计算的WSe₂ / WS₂超晶格的原子结构模型和能带排列。价带顶（VBM）和导带底（CBM）分别用黑线和红线表示。 黄色为S，紫色为Se;

（B）低倍放大的STEM-ADF图像，显示了MoSe₂单层中沿量子阱超晶格形成方向的长达几百纳米的平行MoS₂量子阱。

 【小结】

量子阱阵列在WSe₂/WS₂和MoSe₂/MoS₂侧向异质结中的成功生长表明，这种位错驱动的生长机制应该适用于更广泛的2D单层与晶格失配组合，因为它们的结构具有相似性。因而“该方法很可能被广泛推广到其他过渡金属硫族化合物中，为调控二维平面异质结从而获取新颖电子和光学特性提供了新的机遇。”

文献链接： Dislocation-driven growth of two-dimensional lateral quantum-well superlattices (Science Advances 2018, DOI: 10.1126/sciadv.aap9096)

课题组简介请参照周老师主页：http://people.ucas.ac.cn/~wuzhou

本文由材料人计算材料组Annay供稿，材料牛整理编辑。

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