ett Moiré-mönster i ett MoSe2/WSe2-heterobillager av R-typ. De tre markerade regionerna (A, B, och C-ställen) motsvarar de lokala atomkonfigurationerna med trefaldig rotationssymmetri. b Sido- och toppvyn av de tre lokala atomregistren av R-typ (A, B, och C-ställen) och motsvarande optiska urvalsregler för mellanskiktsexcitonen i dessa atomregister. c Moiré-potential för interlagerexcitonövergången med ett lokalt minimum vid A-ställe. d Optiska urvalsregler för K-valley interlayer excitoner. e PL-spektra av multipla moiré-mellanskiktsexcitoner i MoSe2/WSe2-heterobillager med vridningsvinklar på 1° (botten) och 2° (överst). Varje spektrum är utrustat med fyra (1°) eller fem (2°) Gaussiska funktioner. f Centrumenergin för varje moiré-mellanskiktsexcitonresonans vid olika rumsliga positioner över varje prov. g Cirkulärt polariserat PL-spektrum för 1°-provet under σ+-excitation (överst). Graden av cirkulär polarisation kontra emissionsvåglängden visas i botten, demonstrerar de multipla moiré-mellanskiktsexcitonerna med alternerande sam- och tvärcirkulärt polariserad emission. h-j Magnetfältsberoende PL från moiré-fångade interlagerexcitoner i MoSe2/WSe2 heterobillager med vridningsvinklar på 57° (h), 20° (i) och 2° (j). Överst:cirkulärt polarisationsupplösta PL-spektra med smal linjebredd (100 μeV) vid 3 T. Nederst:total PL-intensitet som funktion av magnetfält, visar en linjär Zeeman-förskjutning av σ+ och σ? polariserade komponenter. k Absorptionsspektrum för MoSe2/WS2 heterobilskiktet som en funktion av vridningsvinkeln. MoSe2 A- och B-excitonresonanserna (XA och XB) är indikerade för stora vridningsvinklar där hybridiseringseffekterna blir försumbara. De tre resonanserna märkta hX1, 2, 3 visas vid θ ? 0° motsvarar de hybridiserade excitonerna i närheten av XA. Kredit:Ying Jiang, Shula Chen, Weihao Zheng, Biyuan Zheng och Anlian Pan
Excitoner mellan skikt i övergångsmetalldikalkogenider (TMD) van der Waals (vdW) heterostrukturer uppvisar fascinerande fysik och lovar mycket för utveckling av excitoniska enheter. Forskare i Kina presenterar en systematisk och heltäckande översikt av bildningen av exciton mellan lager, avslappning, transport, och potentiella tillämpningar av TMDs vdW heterostrukturer, för att ge värdefull vägledning för nya forskare inom detta område samt för att presentera de viktigaste frågeställningarna som finns inom området för framtida djupgående studier.
TMDs vdW-heterostrukturer har i allmänhet en typ-II-bandinriktning som underlättar bildandet av interlagerexcitoner mellan ingående monolager. Manipulering av mellanskiktsexcitonerna i TMDs vdW-heterostrukturer lovar stort för att utveckla excitoniska integrerade kretsar som fungerar som motsvarigheten till elektroniska integrerade kretsar, som gör att fotoner och excitoner kan transformeras mellan varandra och därmed överbryggar optisk kommunikation och signalbehandling vid den integrerade kretsen. Följaktligen, många undersökningar har utförts för att få en djup insikt i de fysikaliska egenskaperna hos interlagerexcitoner, inklusive avslöjandet av deras ultrasnabba formation, långa livslängder för populationsrekombination, och spännande spin-dal-dynamik. Dessa enastående egenskaper säkerställer mellanskiktsexcitonerna med goda transportegenskaper och kan bana väg för deras potentiella tillämpningar i effektiva excitoniska enheter. För närvarande, en systematisk och allsidig översikt av denna fascinerande fysik såväl som de spännande tillämpningarna av interlagerexcitoner i TMDs vdW-heterostrukturer saknas fortfarande och är mycket önskvärda för det vetenskapliga samfundet.
I en ny recensionsartikel publicerad i Ljusvetenskap och tillämpningar , ett team av forskare, ledd av professor Anlian Pan från Key Laboratory for Micro-Nano Physics and Technology i Hunan-provinsen, Skolan för fysik och elektronik, och College of Materials Science and Engineering, Hunan University, Kina, och medarbetare har gett en omfattande beskrivning och diskussion av bildningen av interlagerexciton, avslappning, transport, och de potentiella tillämpningarna i excitoniska optoelektroniska enheter, baserat på TMDs vdW heterostrukturer. En utsikt över framtida möjligheter för interlagerexcitoner i TMD-baserade heterostrukturer presenterades också i denna recension.
en optisk bild av två CVD-odlade WS2/WSe2-heterobillager med vridningsvinklar på 0 och 60° på samma WS2-underlager. b Högupplöst ringformig mörkfältsskanningstransmissionselektronmikroskopbild av 60° heterobilskiktet. Den vita diamantkonturen visar moiré-supergittret med en periodicitet på ~7,6?nm. c Schematisk illustration av WS2/WSe2-heterobilskiktet med en typ-II-bandinriktning för att underlätta bildandet av exciton mellan skikten. d Schematisk representation av en typisk elektronisk bandstruktur för ett WS2/WSe2 heterobillager i en (ansträngd) primitiv enhetscell. De fyra övergångarna med lägst energi indikeras med pilar (K-K-dalövergångarna betecknas med vertikala pilar 1 och 2, och K-Q-dalövergångar betecknas med vertikala pilar 3 och 4). K-K-övergångarna i individuella WS2- och WSe2-monoskikt är markerade med vertikala pilar WS2 och WSe2, respektive. e Ungefärliga moirépotentialer för vridningsvinklarna 0° (vänster) och 60° (höger) plottade längs huvuddiagonalen för moiré-supercellerna (svarta linjer i f). f, g Illustrationer av 2D K-K moiré-potentialerna i både 3D-grafer och 2D-projektioner för att fånga mellanskiktsexcitoner (röda och svarta sfärer) i de lokala minima för 0° (f) och 60° (g) heterobillager. h Tidsberoende medelkvadratavstånd (σt2-σ02) som tillryggalagts av interlagerexcitoner i 0° och 60° heterobillager samt av intralagerexcitoner i WS2 och WSe2 monolager (1L-WS2, 1L-WSe2). i Excitondensitetsberoende interlagerexcitontransport vid rumstemperatur för 60° heterobilskiktet. j Temperaturberoende interlagerexcitontransport för 60° heterobilskiktet. Kredit:Ying Jiang, Shula Chen, Weihao Zheng, Biyuan Zheng och Anlian Pan
Specifikt, innehållet i denna recension omfattar fyra avsnitt. Det första avsnittet diskuterade bandinriktningen, ultrasnabb laddningsöverföring, och mellanskiktets excitonbildning såväl som dess grundläggande egenskaper i TMDs vdW-heterostrukturer. Moiré mellanlager excitoner, som en nybildad forskningshotspot, beskrivs också i detta avsnitt.
Det andra avsnittet diskuterade mellanskiktets excitonavslappningsprocesser inklusive populationsrekombinationsdynamiken, intervallspridningsprocessen, och den dalpolariserade dynamiken i TMDs vdW-heterostrukturer. Rekombinationslivslängderna för interlagerexcitoner i olika TMDs vdW heterostrukturella system sammanfattades, och rollen av moiré-supergitter på mellanskiktets excitonlivslängder diskuterades också i detta avsnitt.
Det tredje avsnittet granskade transportbeteendet hos interlagerexcitoner i TMDs vdW-heterostrukturer, inklusive interlagerexcitondiffusion utan externt elektriskt fält, den (dalpolariserade) excitontransporten mellan skikten med externt elektriskt fält, och manipulering av interlagerexcitontransporten under olika potentiella landskap såsom potentiella brunnar eller barriärer. Dessutom, påverkan av moirépotentialen och atomrekonstruktionerna på interlagerexcitontransporten beskrivs också i detta avsnitt. Dessa relaterade verk erbjuder ett nytt sätt att kontrollera excitontransportbeteendet i potentiella excitoniska enheter.
Efter en detaljerad beskrivning av mellanskiktets excitonbildning, avslappnings- och transportegenskaper i TMDs vdW heterostrukturer, det sista avsnittet av denna recension gav en kort introduktion av de potentiella tillämpningarna av interlagerexcitoner i olika excitoniska enheter som excitoniska switchar, lasrar, och fotodetektorer. Kvantljus baserat på moiré-fångade interlagerexcitoner diskuterades också här. Ändå, forskningen om excitoniska enheter baserade på interlagerexcitoner i TMDs vdW-heterostrukturer är fortfarande i ett tidigt skede. Förbättring av prestandan hos de redan utvecklade excitoniska enheterna för praktiska tillämpningar och utforskande av mer funktionella excitoniska enheter som vågledare och modulatorer förväntas i ytterligare arbeten. Dessutom, integrationen av individuella excitoniska enheter såsom ljuskällor, växlar, modulatorer, och detektorer på ett enda chip är mycket troligt och mycket önskvärt i framtiden för att realisera den integrerade optoelektroniken på chipet baserad på tvådimensionella vdW-heterostrukturer.
