加州大学和斯坦福大学Nat. Nanotech.：范德瓦尔斯异质结构中的超快动力学

【引言】

过渡金属二硫化物（TMDC）半导体（MX₂层具有2H对称性，M=Mo、W；X=S、Se、Te的MX₂层），在单层厚度处具有直接间隙。它们具有的光与物质之间强烈的相互作用，极大地增强了电子-电子相互作用。单层TMDC的激子结合能是数百毫伏电子，比典型的硅半导体大两个数量级。单层TMDC为研究和控制与能量简并K和K'谷相关的谷自由度，提供了极好的平台。由于强自旋轨道相互作用，TMDC中的谷赝自旋耦合到电子/空穴自旋。TMDC层中范德瓦尔斯（vdW）异质结构的形成，影响其激发态动力学范围，从层内激子的解离和层间激子的形成到自旋和谷极化的弛豫。vdW异质结构提供了控制和优化组成材料的动态响应的有效方式。在本综述中，作者分析了TMDC异质结构中，电子动力学的最新进展，从飞秒延伸到微秒。在短时间尺度（≲1ps）下，动力学主要受异质结构中的电荷转移和能量弛豫过程的支配。在较长的时间尺度（≳1ps），层间激子的重组和自旋和谷自由度的松弛相关。

【成果简介】

近日，美国加州大学伯克利分校的Feng Wang和斯坦福大学的Tony F. Heinz（共同通讯）作者等人，分析了过渡金属二硫化物（TMDC）异质结构的独特激发态动力学。TMDC单层膜是研究最广泛的二维半导体，具有突出的激子态和可达到的谷自由度。许多TMDC异质结构的特征是交错的能带排列。该能带排列异质结构中的激发态的演变具有重要作用，包括层之间的超快电荷转移，层间激子的形成，以及驻留载流子中长寿命的自旋和谷极化的存在。本文回顾了最近的实验和理论研究，阐明了TMDC异质结构中的电子动力学，从飞秒的时间尺度延伸到微秒，讨论这些效应对于光电子，谷电子和自旋电子器件中的潜在应用的相关性。相关成果以“Ultrafast dynamics in van der Waals heterostructures”为题发表在Nature Nanotechnology上。

【图文导读】

图 1 TMDC垂直范德瓦尔斯（vdW）异质结构的能带排列

（a）MoS₂/WS₂垂直异质结构中的电子态计算图；

（b）I型（顶部）和II型（底部）能带排列的异质结构中的电荷转移的示意图；

（c）Perdew-Burke-Ernzerhof泛函（DFT-PBE）（蓝色）和G₀W₀（粉红色）从头算密度泛函理论计算各种TMDC的带边能量图。

图 2 垂直TMDC异质结构中超快速电荷转移的分析

（a）MoS₂/WS₂异质结构的示意图和能量分辨瞬态吸收光谱图；

（b）MoS₂/MoSe₂异质结构（蓝色）和单层MoS₂（紫色）的示意图和时间分辨差分反射图；

（c）不同扭转角的MoS₂和MoSe₂异质结构中的电荷转移（红色阴影）和重组（蓝色）时间图；

（d）在MoS₂/WS₂/MoS₂三层异质结构中，MoSe₂ A激子的能量激发后，MoS₂ A激子的能量的差分反射图

（e）MoS₂/MoSe₂中的光致发光猝灭图；

（f）MoS₂/WS₂异质结构中的吸收能量特征图。

图 3 TMDC异质结构中电荷转移的鲁棒性和超快性的理论分析

（a）声子介导的电子转移的示意图；

（b）空穴转移示意图；

（c）两层扭曲布里渊区的俯视图；

（d）空穴传递的布里渊区的俯视图。

图 4 TMDC材料中自旋谷信息载体的动态分析

（a，b）不同外部磁场下，单层TMDC材料中的三价（a）和驻留电子（b）的自旋谷动力学图；

（c）对齐排列的WSe₂/MoSe₂异双层的时间分辨光致发光图；

（d）电荷中性时，大扭曲角WSe₂/MoS₂异质结构中谷极化空穴群、总空穴数和谷极化的衰变动态图；

（e）大扭转角WSe₂/MoS₂异质结构中，载流子浓度的函数的空穴群（蓝色）和自旋谷（红色）寿命图；

（f，g）电子掺杂（f）和空穴掺杂（g）异质结构中，层间电子-空穴复合过程的示意图。

图 5 WSe₂/MoS₂异质结构中间隔散射的潜在起源

（a）与温度有关的谷极化衰变动态图；

（b）间隔散射时间的温度依赖性；

（c）单层MoS₂的共振拉曼光谱；

（d）在2.0 eV附近激发，K点声子的双共振拉曼过程图。

图 6 vdW异质结构中的自旋谷传输

（a）器件左边缘的纯自旋谷不平衡的光学激发，产生向右流动的纯旋转谷扩散电流，没有任何相关的充电电流图；

（b）空间和时间分辨泵浦-探针光谱成像旋转谷电流的光束聚焦到样品上的线图；

（c）实验测量异质结构中，纯谷不平衡的时空演变图；

（d）扩散衰减模型的10¹² cm^-2的初始空穴掺杂的结果的模拟图。。

【结论和展望】

尽管范德瓦尔斯异构结构中，激发态的研究取得一定的进展，但在理解电荷转移过程、自旋和谷松弛动力学方面，仍然存在许多问题。在TMDC异质结构中，电荷转移过程的完整图像仍然难以获得。尽管在TMDC单层和异质结构中，都存在强烈束缚的激子。但到目前为止，这种机制并未完全解释了电子和空穴之间的库仑相互作用。虽然可以说激子态是准粒子带状态的叠加，但是激子相关性的定量图像仍然是挑战。在这种情况下，影响激子相互作用的异质结构的介电环境，是否也影响电荷转移过程的速率和效率是非常有趣的。此外，TMDC中库仑相互作用的电介质变化，改变了准粒子带结构，提供了Q和Γ谷在电荷转移过程中作用的测试途径。其次，在时间分辨率上，电荷转移的时域探针受到仪器响应函数的限制，通常不能产生精确的电荷转移时间。此外，光学测量具有有限的空间分辨率，在两层之间形成平均莫尔图案。这可能导致改变电荷转移时间的预测趋势。通过改进的时间分辨率和/或空间分辨率克服这些限制。同样，关于TMDC异质结构中的自旋和谷值动力学存在许多突出问题。需要做更多的工作，才能完全理解它们在TMDC异质结构中的内在动力学、动力学对成分TMDC材料的依赖性，它们的相对晶体学排列以及它们在多层中的堆叠顺序。

文献链接：Ultrafast dynamics in van der Waals heterostructures（Nature Nanotechnology, 2018, DOI: 10.1038/s41565-018-0298-5）。

本文由材料人编辑部张金洋编译整理。

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