Nature Materials: 低温共聚焦显微镜助力设计光电子器件的范德瓦尔斯界面

发布日期：2020-12-18

基于二维材料的范德瓦尔斯界面在光电子器件领域具有广泛的发展前景，不同材料组成的界面可以在很大程度上调控器件的发光光谱范围。然而，层间堆叠方式不同带来的晶格失配以及错位都会抑制电子与声子耦合作用，影响光电器件的工作效率。近期，瑞士日内瓦大学的的Alberto F. Morpurgo 教授课题组在《自然-材料》杂志上发表了低温光致发光光谱研究设计范德瓦尔斯界面的工作。通过组合导带底部与价带顶部都在Γ点（倒格矢空间）的二维晶体材料，形成范德瓦尔斯界面，避免了动量失配。这样的范德瓦尔斯界面将不受光学跃迁与晶格常数、两层材料之间旋转角或者晶格错位的影响，为基于二维原子晶体的光电子器件的发展打下了重要的基础。

双层或者多层过渡金属硫化物（例如WS₂，MoS₂, MoSe₂ ）的价带顶部在Γ点，可以与导带底部在Γ点的多层InSe材料形成范德瓦尔斯界面，该界面允许直接跃迁。通过分析光致发光光谱（PL光谱）对双层InSe与双层WS₂范德瓦尔斯界面的测量结果（见图1），可以判定双层InSe与双层WS₂范德瓦尔斯界面的直接跃迁存在且能量为1.55eV。

图1. (a)双层InSe与双层WS₂的结构示意图。 (b)双层InSe与双层WS₂的能带图。(c）温度5K时双层InSe与双层WS₂范德瓦尔斯界面的光致发光光谱， 内置图：2L-InSe/2L-WS₂光学照片。比例尺：10微米。

通过分析发光光谱随温度变化的数据（图2a-b），研究者发现双层InSe与双层WS₂范德瓦尔斯界面的直接跃迁发光光谱随温度降低强度增加。该界面发光光谱随激光强度增加的变化（图2c）也表明其发光机制是直接跃迁。图2d为6层InSe与双层WS₂界面切面SEM电镜图。通过分析该6层InSe与双层WS₂范德瓦尔斯界面的切面发光光谱的旋光数据（图2e）可直接证实该界面是直接跃迁的机制。

图2. (a-b): 双层InSe与双层WS₂范德瓦尔斯界面PL光谱随温度变化数据图。(c):光谱随激发激光强度的变化。(d):6层InSe与双层WS₂界面切面的SEM电镜图。（e）6层InSe与双层WS₂界面切面处发光光谱的旋光数据图。

研究者也分析了多层InSe与双层WS₂范德瓦尔斯界面PL光谱（图3a-b）以及四层InSe与多层WS₂范德瓦尔斯界面PL光谱。综合分析以上不同层数二维材料组成的范德瓦尔斯界面PL光谱的能带图以及实验数据，表明该不同层数二维材料组成的范德瓦尔斯界面未受到两层材料之间旋转角或者晶格错位的影响而存在层间发光光谱。

图3.  (a) 多层InSe与双层WS₂范德瓦尔斯界面PL光谱数据，温度为5K。(b): InSe与双层WS₂范德瓦尔斯界面PL光谱能量与InSe层数关系图。(c): 四层InSe与多层WS₂范德瓦尔斯界面PL光谱能量与WS₂层数关系图。

文章中，作者使用了德国attocube公司的attoDRY系列低温恒温器来实现器件在温条件下使用荧光光谱分析二维材料中的范德瓦尔斯界面。文章实验结果表明通过合理的选择二维材料组合成范德瓦尔斯界面，可以设计出具有很宽广发光范围的光电器件。

图4：低振动无液氦磁体与恒温器—attoDRY系列，超低振动是提供高分辨率与长时间稳定光谱的关键因素。

attoDRY2100+CFM I主要技术特点：

+ 应用范围广泛:  PL/EL/ Raman等光谱测量

+ 变温范围：1.8K - 300K

+ 空间分辨率：< 1 mm

+ 无液氦闭环恒温器

+ 工作磁场范围：0...9T (12T, 9T-3T，9T-1T-1T矢量磁体可选)

+ 低温消色差物镜NA=0.82

+ 精细定位范围： 5mm X 5mm X 5mm @ 4K

+ 精细扫描范围：30 mm X 30 mm@4K

+ 可进行电学测量，配备标准chip carrier

+ 可升级到AFM/MFM、PFM、ct-AFM、KPFM、SHPM等功能

参考文献：

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