转角单层WS2/MoSe2范德瓦尔斯异质结中新奇电子态的研究

In van der Waals (vdWs) heterostructures, the interlayer coupling is adjusted by twisted angles, which can induce novel quantum states that different from the individual components of the heterojunction . This new degree of freedom makes the vdWs heterostructures become a recent research hotspot, which attract wide attention in the field of 2D materials. From the experimental point of view, this project will use atomic force microscopy and scanning tunneling microscopy as the main detection means to explore the novel electronic states induced by the twisted angle in the single-layer WS2/MoSe2 vdWs heterostructures. This project includes detecting the angle-dependent vertical conductance of the heterostructures, measuring of the influence of the twist angle on the electronic structure of the system, and detecting the strongly correlated quantum state introduced by some special twist angles. This project will help to explore the physics of the angle-dependent electrical properties of the single-layer WS2/MoSe2 vdWs heterostructures deeply, providing experimental basis for detecting novel states in the heterojunction system, experimental reference and new method for the future application of vdWs heterostructures in nano-electronic devices and optoelectronic devices.

在范德瓦尔斯异质结中，通过改变堆叠转角调节层间耦合，能够诱导出不同于异质结各个组成部分单独存在时的新奇量子物态，这使得转角范德瓦尔斯异质结在二维材料领域引起了广泛的关注。本项目从实验角度出发，将利用原子力显微镜和扫描隧道显微镜为主要探测手段，探究转角在单层WS2/MoSe2二维范德瓦尔斯异质结中诱导的新奇电子态。包括原位测量异质结的垂直电导随转角的变化规律；系统测量异质结中转角对体系电子结构的影响，探测在某些特殊转角引入的强关联量子物态。本课题的研究将有助于深入理解单层WS2/MoSe2二维范德瓦尔斯异质结能带结构和电学性质被调控的物理机制，为探测异质结体系中新奇物态提供实验依据和新的实验方法，为未来范德瓦尔斯异质结在纳米电子器件和光电子器件中的应用提供一定的实验基础和设计指导。

二维范德瓦尔斯异质结中新奇的物理特性已经得到了大量的研究，尤其近两年来角度对体系能带结构的调控成为了研究的热点，但是有关转角对TMD形成的范德瓦尔斯异质结的调控研究还不够完善，对TMD异质结中由平带诱导的新奇电子态的研究还尚未有报道。结合国内外最新研究成果和发展动态，我们通过化学气相沉积在c-plane蓝宝石上外延制备了取向高度一致的二硫化钼。实验结果发现，二硫化钼薄片的边缘主要沿着c-plane蓝宝石的[11-20]晶向。结构表征表明，蓝宝石台阶边缘和二硫化钼锯齿形边缘之间的耦合导致外延生长。除此之外，我们通过两个相邻层之间的扭转角控制范德华同质或异质结构中的层间耦合，从而操纵其电子特性。我们从实验和理论上系统地研究了扭曲双层二硫化钨中层间耦合的演变。发现在扭转角为0°或60°的 双层二硫化钨中，层间耦合强度最强。而在0°和60°之间的其他扭转角中，层间耦合强度逐渐变弱，并在30°左右达到最小值。结合密度泛函理论计算，层间耦合的调制源于相邻两个二硫化钨层之间排斥引起的层间距离的变化。我们还通过叠加两种不同的二维层材料BP和AlN构造vdW异质结构。结果表明二维 BP/AlN 异质结构具有直接带隙特性，并具有II型(typeII)能带结构，可加速电子-空穴对的有效分离。即使施加的外部电场和双轴应变的调制，这种异质结构仍然保持II型带能带结构。要实现光电子应用，有效的载流子分离是一个至关重要的问题。这一结果表明，二维BP/AlN异质结构是在未来具有广阔的应用前景光电纳米器件。