电子科大夏娟、王曾晖等在Nature Physics发表重要成果：压力工程对强耦合范德华异质结层间激子的高效调控

2020年8月24日，Nature Physics期刊在线刊发了电子科技大学夏娟研究员、王曾晖教授与合作者的研究成果“Strong coupling and pressure engineering in WSe₂-MoSe₂ heterobilayers”。

该工作利用能产生百万大气压（接近地心压强）的金刚石对顶砧技术，对层间强耦合二维范德瓦尔斯异质结这一类新型信息材料实现了高效物性调控，系统地研究了二维异质结的层间激子发光、电子能带结构等物理特性随压强变化的响应。电子科技大学夏娟研究员为第一作者；夏娟研究员、王曾晖教授、南京工业大学闫家旭研究员、南洋理工大学申泽骧教授为共同通讯作者。这是我国西部高校首次以第一单位和通讯单位在Nature Physics上发表研究成果。

研究成果简介：

“压力引发动力，动力激发潜力”，不仅适用于心理学、教育学等领域，也适用于物理学。在实验凝聚态物理研究中，“压力工程”（Pressure engineering）是一种重要的调控材料物理特性的手段，不仅可与原位光学、电学研究相结合，且具有高效、连续、可逆等优点。在该工作利用的金刚石对顶砧（DAC）高压技术中，对顶放置的两个钻石的微米级砧面处可产生接近地心压强的超高静水压环境，能够对所研究的体系（以二维材料为例）产生大于30%的体积变化，从而实现对所研究材料体系的大幅高效调控。

“压力工程”：用金刚石对顶砧对二维异质结层间距离及激子行为实现高效调控。

图片来源及版权：Nature Physics及论文作者

二维范德瓦尔斯异质结因“层内共价键-层间范德华作用”的结构特性，以及多样化的能带匹配和层间耦合作用等特点，表现出丰富的光学、电学和光电特性，在实现新型光子、电子和光电器件方面具有独特的潜力。特别是具有强层间耦合作用的二维范德瓦尔斯异质结表现出更显著的层间激子行为，在未来信息器件领域的应用极具前景。与此同时，二维范德瓦尔斯异质结的层间激子对层间距离十分敏感；因此，通过压强等外界调控手段来改变二维范德瓦尔斯异质结的间距离，能够实现对层间激子及相关物理特性的高效调控。

金刚石对顶砧（DAC）调控二维异质结独特层间距及层间耦合作用示意图。

图片来源及版权：Nature Physics及论文作者

基于此，本工作在成功获得层间强耦合WSe₂-MoSe₂二维范德瓦尔斯异质结的基础上，利用其层间距离可由外界压强高效调控的特点，采用DAC装置成功实现了高压下微观结构和物理特性的原位调控。研究者通过实验观察到了这类二维异质结的层间激子行为在一万个大气压（1 GPa）附近发生的显著变化，并通过理论计算该二维异质结在不同压强下的电子能带结构，成功地解释了这一独特的突变现象。

本工作所使用的层间强耦合二维异质结WSe₂-MoSe₂的形貌、结构，及其强耦合特性带来的独特激子行为。

图片来源及版权：Nature Physics及论文作者

本工作利用DAC技术所提供的超高压强成功实现了对二维异质结中层间强耦合作用的高效调控，有助于进一步推动基于这类二维范德瓦尔斯异质结的新型激子型器件研究，为未来此类新型信息器件的探索和应用提供了新的思路。

本项研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、四川省科技厅等项目的支持。

电子科技大学团队介绍：

夏娟博士，电子科技大学基础与前沿研究院特聘研究员，本科毕业于四川大学材料科学系，博士毕业于新加坡南洋理工大学物理与应用物理系，长期从事实验凝聚态物理方向的研究，尤其是利用高压等各类实验手段对二维半导体材料及其异质结的物理特性进行调控。近五年来，在Nature, Nature Physics, Nano Letters, ACS Nano等国际期刊上发表文章近20篇。目前担任Chinese Physics Letters、《物理学报》、《物理》和Chinese Physics B的青年编委会成员。荣获2017年度中国优秀自费留学生奖、2018年度南洋理工大学女科学家奖等奖项，2018年入选电子科技大学“百人计划”，2019年入选福布斯中国30岁以下精英榜。

王曾晖博士，电子科技大学基础与前沿研究院教授，本科毕业于复旦大学物理系。在美国西雅图华盛顿大学物理系获得博士学位后，先后在美国康奈尔大学和凯斯西储大学开展科研工作，2016年起就职于电子科技大学。王曾晖教授长期从事凝聚态物理，纳米器件物理，低维纳米机电系统，微纳信息器件等领域研究，取得了一系列创新性研究成果，累计在Science, Nature Nanotechnology, Nature Physics, Nature Communications, Science Advances, Physical Review Letters, Nano Letters, ACS Nano等期刊上发表相关论文20余篇。目前担任《物理学报》和Chinese Physics B的青年编辑工作组成员，《中国科学：信息科学》编委会成员及青年编委，并长期受邀为Nature Nanotechnology, Nature Communications等期刊担任审稿人。

期刊介绍：

Nature Physics是Nature在物理学领域的旗舰子刊，也是该学科领域经由同行评审的权威科学期刊。根据Web of Science数据统计，自2005年创刊以来，至2020年7月，中国内地发表第一单位Nature Physics论文共计89篇。

论文相关信息：

作者：Juan Xia*, Jiaxu Yan*, Zenghui Wang*, Yongmin He, Yongji Gong, Weiqiang Chen, Tze Chien Sum, Zheng Liu, Pulickel M. Ajayan, Zexiang Shen*

摘要：Two-dimensional materials offer an exciting platform that enables the creation of van der Waals heterostructures with rich functions and intriguing physical properties that stem from different band alignments and diverse interlayer interactions. However, further exploration of two-dimensional van der Waals heterostructures is hindered by the limited coupling strength and lack of efficient methods for tuning the interlayer interactions. Here, by using a two-step chemical vapour deposition method, we realize high-quality 2H-stacked WSe₂–MoSe₂ heterostructures with strong interlayer coupling, and effective tuning of their interlayer interaction by hydrostatic pressure. We unambiguously establish the strong coupling nature in these WSe₂–MoSe₂ heterostructures through the existence of exclusive interlayer excitons instead of the typical intralayer excitons. We further demonstrate efficient tuning of the interlayer coupling by using pressure engineering, and observe a clear evolution and transition of interlayer excitons in WSe₂–MoSe₂ heterostructures with a pressure-induced band changeover, which is further confirmed by first-principles calculations. Our findings provide new opportunities for producing, exploring and tuning van der Waals heterostructures with strong interlayer coupling that lead towards the realization of future excitonic devices based on tailor-made, atomically thin, two-dimensional stacks.

论文DOI：10.1038/s41567-020-1005-7

文章链接： https://www.nature.com/articles/s41567-020-1005-7

本文由电子科技大学先进纳米器件研究中心供稿。