基于二維材料的范德瓦爾斯界面在光電子器件域具有廣泛的發(fā)展前景，不同材料組成的界面可以在很大程度上調(diào)控器件的發(fā)光光譜范圍。然而，層間堆疊方式不同帶來的晶格失配以及錯位都會抑制電子與聲子耦合作用，影響光電器件的工作效率。近期，瑞士日內(nèi)瓦大學的的Alberto F. Morpurgo?教授課題組在《自然-材料》雜志上發(fā)表了低溫光致發(fā)光光譜研究設計范德瓦爾斯界面的工作。通過組合導帶底部與價帶頂部都在Γ點（倒格矢空間）的二維晶體材料，形成范德瓦爾斯界面，避免了動量失配。這樣的范德瓦爾斯界面將不受光學躍遷與晶格常數(shù)、兩層材料之間旋轉(zhuǎn)角或者晶格錯位的影響，為基于二維原子晶體的光電子器件的發(fā)展打下了重要的基礎。

       雙層或者多層過渡金屬硫化物（例如WS₂，MoS₂, MoSe₂ ）的價帶頂部在Γ點，可以與導帶底部在Γ點的多層InSe材料形成范德瓦爾斯界面，該界面允許直接躍遷。通過分析光致發(fā)光光譜（PL光譜）對雙層InSe與雙層WS₂范德瓦爾斯界面的測量結(jié)果（見圖1），可以判定雙層InSe與雙層WS₂范德瓦爾斯界面的直接躍遷存在且能量為1.55eV。

圖1. (a)雙層InSe與雙層WS₂的結(jié)構示意圖。 (b)雙層InSe與雙層WS₂的能帶圖。(c）溫度5K時雙層InSe與雙層WS₂范德瓦爾斯界面的光致發(fā)光光譜， 內(nèi)置圖：2L-InSe/2L-WS₂光學照片。比例尺：10微米。

       通過分析發(fā)光光譜隨溫度變化的數(shù)據(jù)（圖2a-b），研究者發(fā)現(xiàn)雙層InSe與雙層WS₂范德瓦爾斯界面的直接躍遷發(fā)光光譜隨溫度降低強度增加。該界面發(fā)光光譜隨激光強度增加的變化（圖2c）也表明其發(fā)光機制是直接躍遷。圖2d為6層InSe與雙層WS₂界面切面SEM電鏡圖。通過分析該6層InSe與雙層WS₂范德瓦爾斯界面的切面發(fā)光光譜的旋光數(shù)據(jù)（圖2e）可直接證實該界面是直接躍遷的機制。

圖2. (a-b): 雙層InSe與雙層WS₂范德瓦爾斯界面PL光譜隨溫度變化數(shù)據(jù)圖。(c):光譜隨激發(fā)激光強度的變化。(d):6層InSe與雙層WS₂界面切面的SEM電鏡圖。（e）6層InSe與雙層WS₂界面切面處發(fā)光光譜的旋光數(shù)據(jù)圖。

       研究者也分析了多層InSe與雙層WS₂范德瓦爾斯界面PL光譜（圖3a-b）以及四層InSe與多層WS₂范德瓦爾斯界面PL光譜。綜合分析以上不同層數(shù)二維材料組成的范德瓦爾斯界面PL光譜的能帶圖以及實驗數(shù)據(jù)，表明該不同層數(shù)二維材料組成的范德瓦爾斯界面未受到兩層材料之間旋轉(zhuǎn)角或者晶格錯位的影響而存在層間發(fā)光光譜。

圖3.  (a) 多層InSe與雙層WS₂范德瓦爾斯界面PL光譜數(shù)據(jù)，溫度為5K。(b): InSe與雙層WS₂范德瓦爾斯界面PL光譜能量與InSe層數(shù)關系圖。(c): 四層InSe與多層WS₂范德瓦爾斯界面PL光譜能量與WS₂層數(shù)關系圖。

       文章中，作者使用了德國attocube公司的attoDRY系列低溫恒溫器來實現(xiàn)器件在低溫條件下使用熒光光譜分析二維材料中的范德瓦爾斯界面。文章實驗結(jié)果表明通過合理的選擇二維材料組合成范德瓦爾斯界面，可以設計出具有很寬廣發(fā)光范圍的光電器件。

圖4：低振動無液氦磁體與恒溫器—attoDRY系列，超低振動是提供高分辨率與長時間穩(wěn)定光譜的關鍵因素。

attoDRY2100+CFM I主要技術點：

+ 應用范圍廣泛:  PL/EL/ Raman等光譜測量

+ 變溫范圍：1.8K - 300K

+ 空間分辨率：< 1 mm

+ 無液氦閉環(huán)恒溫器

+ 工作磁場范圍：0...9T (12T, 9T-3T，9T-1T-1T矢量磁體可選)

+ 低溫消色差物鏡NA=0.82

+ 精細定位范圍： 5mm X 5mm X 5mm @ 4K

+ 精細掃描范圍：30 mm X 30 mm@4K

+ 可進行電學測量，配備標準chip carrier

+ 可升到AFM/MFM、PFM、ct-AFM、KPFM、SHPM等功能

參考文獻：

[1]. Nicolas Ubrig? et al, Design of van der Waals interfaces for broad spectrum optoelectronics, Nature Materials,19,299–304 (2020)