莫尔异质结层间DAP激子发光研究

01导读

近日，中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室张俊研究员与新加坡南洋理工大学高炜博教授团队合作，利用施主-受主对（DAP）模型解释了二维MoSe2/WSe2莫尔异质结中密集且尖锐的局域层间激子（IX）发射现象，并建立了DAP IX的动力学模型，很好地解释了层间激子寿命与发射能量的单调依赖关系。相关研究成果以“Interlayer donor-acceptor pair excitons in MoSe2/WSe2 moiré heterobilayer”为题，于2023年9月18日发表于Nature Communications上。

02研究背景

DAP跃迁起源于电离施主与受主之间的库伦相互作用。基于DAP跃迁模型，发射光子的能量可以表示为：

其中EA和ED分别为缺陷能级的能量，Rm为第m近邻的施主与受主之间的距离，由晶体结构和晶格常数决定，表示施主与受主之间的库伦相互作用。分立的Rm值导致了光谱中观察到的一系列尖峰，随着Rm增大，尖峰之间的间距减小，变得不可分辨，形成一个宽峰。2022年，张俊研究组与高炜博教授和澳大利亚悉尼科技大学Igor Aharonovich教授合作，提出并通过实验证明了hBN中宽谱密集的单光子发射的DAP跃迁机制，为设计基于hBN的量子光源和量子器件提供了基础。相关研究成果以“Donor-Acceptor Pair Quantum Emitters in Hexagonal Boron Nitride”为题发表在Nano Letters上（https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c04647）。

二维过渡金属硫族化物（TMDs）异质结是研究强相关电子现象和量子光电子学应用的理想平台。由于晶格常数的差异或特定的转角堆垛形成的莫尔超晶格不仅可以增强电子-电子相互作用，还会产生局域的层间激子（IX），即电子和空穴分别位于不同层中。在TMDs莫尔异质结的荧光谱中的一个有趣现象是可以观察到许多尖锐且密集的IX发射峰。尽管磁光光谱的实验结果显示其中某些峰与带边激子态相关，但无法解释如此密集的（高达50条以上）的发射峰。探究IX的发射机制对于相关的相操控以及单光子发射工程是非常紧迫的关键问题。在最近的工作中，研究团队将DAP模型推广到二维MoSe2/WSe2莫尔异质结（图1）中，很好地解释了密集且尖锐的局域层间激子（IX）发射现象，并建立了DAP IX的动力学模型，揭示了层间激子寿命与发射能量的单调依赖关系。

图1. 器件结构和局域IX发射。a, DAP IX发射示意图。b, 纳米柱增强DAP IX发射。c, 样品结构。样品由hBN封装的纳米柱上的MoSe2 /WSe2构成。d, 干法转移制备的异质结的光学显微镜图像。e, 角度依赖的SHG强度。SHG显示，扭转角为60±10。f, 4.2 K下，765 nm激光激发，850 nm长通滤光片收集的荧光积分强度图。

03研究创新点

研究团队首先提取出IX发射峰的峰位，并与DAP模型预测的峰位进行比较。如图2所示，实验结果中75%以上的峰都可以与理论计算的峰位匹配得很好，说明了DAP模型与实验结果的一致性。

图2，DAP IX 荧光光谱。a-c, IX PL光谱。d, 范德华异质结中的DAP IX示意图。e-g, 理论计算的DAP IX峰位和实验结果比较。h, DAP模型的拟合度。

进一步，研究团队通过能量和时间分辨的荧光测试证实了DAP模型的合理性。时间分辨的荧光结果可以由双指数衰减函数拟合，说明至少有两种不同的态参与发光，即DAP IX态和带边的IX态。提取出的衰减速率k1和k2在特定能量下达到最大值，这种行为可以由DAP IX的动力学以及DAP IX与带边IX的耦合来解释。对于k1>>k2的情况，衰减速率可以近似表示为其中式中kDAP为DAP IX总衰减速率，knr为DAP IX的非辐射衰减速率，kr0为DAP IX最大辐射衰减速率，RB为施主（受体）玻尔半径，kIX为带边IX衰减速率，D为带边IX与DAP IX之间的耦合率。考虑到DAP和带边IX之间的耦合，RB和D的值取决于这两个IX态之间的能量差。当两者能量相同时，耦合率最大。与带边激子的耦合会增加DAP IX的波尔半径，当峰值能量等于带边IX能量时，RB和D都达到最大值，由此可以得到k1和k2的最大值。如图3所示，该模型与实验结果非常吻合，进一步证实了DAP IX机制。

图3，局域IX发射的寿命能量关联。a, IX荧光光谱随时间变化。b, 实验装置。c-f, 能量和时间分辨的局域IX发射，及对应的衰减速率和能量的关系。

此外，在功率依赖的时间分辨测量中，衰减速率表现出先减小随后增加的趋势（图4），这也可以由DAP IX和带边IX之间的退耦合解释：在小功率下DAP IX与带边IX共振，随着功率增加二者能量差增大，导致两种激子态退耦合，因此波尔半径减小，减小；随着功率继续增加，DAP IX和带边IX退耦合效应不再显著，功率引起的非辐射衰减速率增加占主导作用。

图4，功率依赖的局域激子寿命。a, 衰减速率随功率变化的机制。b, 不同激光功率下相同光子能量的局域IX的归一化的时间分辨光致发光。c, 实验和拟合的衰减速率随功率的变化。

04总结与展望

这一工作为二维异质结中的局域层间激子的发射机制提供了新见解，揭示了莫尔超晶格中的无序态（DAP IX）与超晶格势态（带边IX）之间的相互作用。在应用方面，局域IX发射的多峰特性和电场可调性表明它是一个多功能的量子发射平台。可以通过控制样品大小来减小发射峰数量，进一步还可以通过控制原子位置的方法按需产生和操纵层间激子发射，这对于基于二维半导体的量子信息和模拟有着重要的意义。

中国科学院半导体研究所张俊研究员和新加坡南洋理工大学高炜博教授为论文的共同通讯作者，新加坡南洋理工大学Hongbing Cai博士为论文第一作者，半导体所来嘉敏博士为论文第四作者。该研究工作得到新加坡国家研究基金会量子工程计划，新加坡教育部，国家重点研发计划，国家自然科学基金，中国科学院创新交叉团队和中国科学院战略先导科技专项的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-41330-6