第一作者：Gangtae Jin, Chang-Soo Lee1.原子層精確生長二維過渡金屬硫化物，構建不同堆疊原子層異質結3.這種vdW異質結與傳統的共價鍵結合異質結不同，作者研究了vdW異質結的光學性質目前人們發現種類非常廣泛的單層過渡金屬硫化物半導體材料，不同過渡金屬硫化物之間進行精確組裝形成超晶格能夠得到各種新型結構材料，同時表現出以往從未得到的功能。有鑒于此，浦項科技大學/韓國基礎科學研究所Moon-Ho Jo?等報道通過原子層的層層外延生長方法實現不同單層二維過渡金屬硫化物進行周期性堆疊，實現了MoS2、WS2、WSe2等不同過渡金屬硫化物的程序化周期性堆疊。在該方法中，通過金屬有機化學氣相沉積方法通過動力學控制在接近化學平衡條件中進行外延生長，能夠精確的實現以層層堆疊方式構建異質結，得到電子結構可調控的二維過渡金屬硫化物材料體系。進一步的，通過這種堆疊實現II型能帶連接異質結，在(MoS2/WS2)n單層堆疊n重復循環實現了谷極化層間載流子激發的放大。目前人們在兩種二維原子層過渡金屬硫化物的周期性排列廣泛應用于現代異質結電子學器件、光子學、顯示技術等領域。比如，III-V族半導體單層結構（GaAs/AlGaAs、GaInAs/AlInAs）等體系構建的晶體管器件實現了非常高的電子遷移率和量子級聯激光器；GaN/AlGaN超晶格異質結發光二極管；Si/Ge超晶格異質結用于應力型Si互補性金屬氧化物半導體。以上各種異質結中，異質結的建立通過晶格不匹配的界面共價化學鍵。而且通過界面耦合強度的多種多樣變化，形成廣泛的量子阱QW（quantum well）結構。相比而言，過渡金屬硫化物等van der Waals半導體天然上無需形成界面化學鍵，能夠通過堆疊的方式構建異質結。在這種二維van der Waals半導體超晶格材料中能夠實現廣泛變化的電子結構，因此通過精確的將各種不同二維過渡金屬硫化物組裝到超晶格堆疊結構中有望構建新型量子阱QW。目前這種多層堆疊結構vdW超晶格得到廣泛研究，比如層間激子、扭角強相干性等性質，但是這種超晶格的量子阱相關研究較為缺乏。這是因為精確的進行層層合成不同過渡金屬硫化物非常困難，目前沒有較為成熟的合成方法。作者在本文工作中發展了一種直接合成vdW超晶格的方法，能夠將單層MoS2、WS2、WSe2等進行化學氣相沉積法合成，在實驗中實現了精確的原子層組成和層數可控的外延堆疊和異質結結構。具體的，作者通過控制反應動力學過程，能夠在接近化學平衡的條件實現二維原子層材料的表面異相成核，由此能夠通過改變氣相反應物種組成，得到組成精確的層-層堆疊超晶格，進一步在這種超晶格異質結內可以對電子結構進行精確調控。作者以WSe2/WS2/MoS2三種材料作為研究對象，通過改變生長和堆疊情況，研究了多種不同組成和比例的異質結構。分別合成了1層MoS2和兩層WS2形成比例為1:2堆疊的 MoS2/WS2（共7層），合成了2層MoS2和2層WS2形成的2:2堆疊MoS2/WS2（共8層），合成了1:1堆疊WSe2/WS2（共6層），合成了WSe2/MoS2/WS2（共三層），WSe2/石墨烯/WS2（共三層）等少層異質結體系。分別對合成的少層堆疊異質結進行HAADF-STEM表征，觀測異質結的構建情況；通過EDX能譜驗證元素分布情況說明其中的每層材料與設計結果相符。隨后作者觀測了多層材料堆疊過程不同層的堆疊角度，發現相鄰層之間更容易形成0°或60°的扭角，此外觀測少數情況中形成隨機角度排列。通過計算模擬，驗證相鄰層間以0°或60°形成界面在能量上更有優勢，相鄰層之間的隨機排列需要更高能量。因此從概率上看，在相鄰層排列形成過程中形成小角<< span="">5°或者60°角更有利。與共價化學鍵半導體異質結體系相比，這種vdW單層半導體超晶格通過圓二色光激發，實現了長壽命自旋-波谷極化載流子。進一步分別合成了n=1,2,3,4的(MoS2/WS2)n異質結，考察光吸收、圓二色譜等性質的變化情況，發現通過控制波谷-自旋激發的強度，實現了調控圓二色譜的強度。作者觀測了(MoS2/WS2)1、(MoS2/WS2)2、(MoS2/WS2)3、(MoS2/WS2)4幾種超晶格材料體系的光吸收變化規律，觀察堆疊數目增加導致吸收光譜變化規律，結果顯示光吸收隨著堆疊層增加而線性提高。以往相關報道發現WS2/WSe2、WSe2/MoS2雙層異質結構突出的特點是較強的長壽命自旋-波谷極化載流子，能夠通過泵浦光譜技術觀測。II型能帶排列導致層間產生超快的層間電荷傳輸，因此導致波谷極化弛豫。通過時間分辨圓二色譜在液氮溫度77K進行表征，發現對應于自旋波谷的圓二色信號強度與堆疊層數呈線性變化。Jin, G., Lee, CS., Okello, O.F.N. et al. Heteroepitaxial van der Waals semiconductor superlattices. Nat. Nanotechnol. (2021). DOI: 10.1038/s41565-021-00942-zhttps://www.nature.com/articles/s41565-021-00942-z
