由于弱介电屏蔽和二类能带排列，二维过渡金属硫族化合物（TMDC）异质结构中产生的层间激子（IX）在量子限制效应下，电子波函数和空穴波函数在平面外方向重叠减小，层间电子-空穴交换相互作用受到抑制，导致其辐射寿命要比层内激子大几个数量级，使得层间激子在超快能量转移，超快电荷转移，能谷电子学等多方面具有潜在的应用价值而受到了广泛关注。因此，得到长寿命，大结合能的亮激子成为研究的关键，以此为目的一系列调控激子行为的尝试如外加电场，应变，合金化等被提出。尤其是，近期实验上证明单层 Janus 材料 MoSSe 中由原子电负性产生的垂直本征偶极矩增强了激子-声子耦合，导致比纯 MoS2 中有更长的激子辐射复合寿命。
文章简介
基于上述背景，内蒙古大学王舒东老师课题组提出了将本征偶极矩作为新的自由度引入异质结构中，在大极化场的作用下层间激子的产生和重组可以通过不同界面的组合控制。研究发现大的本征偶极矩提高了层间耦合，导致自旋禁止的最低能量层间激子的振子强度在平面内极化光下可与亮激子相比，同时，其寿命在 300K 时达到 7.6×10-7s。
同时当入射光为平面外方向极化光时，BSE 计算的结果显示在偶极跃迁选择定则的作用下三种堆叠方式的整体吸收强度下降了两个数量级，表明跃迁轨道的对称性是影响激子强度的主要因素之一。而在静水压力下，偶极矩最大的堆叠方式中层间激子寿命缩短，在 4GPa 时减小到常态的 38%。该成果以“Dipole moment and pressure dependent interlayer excitons in MoSSe/WSSe heterostructures”为题发表在Nanoscale，并被选为封面文章。
图文解析
▲ | 图 1. MoSSe/WSSe 异质结构 AB 堆叠下的俯视图和侧视图，对应内表面分别为 Se-S，Se-Se 以及 S-S，上层和下层分别为 MoSSe 和 WSSe。1-SSe 对应的偶极矩为 0.34Debye，比 2-SeSe 和 3-SS 的大一个数量级。 |
▲ | 图 2. 三种堆叠在 K 点附近自旋投影的准粒子能带结构，自旋向上和自旋向下分别用红色和蓝色表示，插图显示的是最高的四条价带和最低的四条导带对应的电荷分布。三种堆叠的能带结构都是 type-II 型，但 1-SSe 中 VBM 和 CBM 的电荷分布与 2-SeSe 和 3-SS 相反，且在 1-SSe 中，CBM 掺入了 16% 自旋向上的态。 |
▲ | 图 3. 平面内方向(a),(c),(e)和平面外方向(b),(d),(f)极化光产生的吸收光谱，平面外方向光谱强度放大了 10 倍，用箭头表示最低能量层间激子，垂直虚线为带隙位置。图 a 中 IX0 对应的吸收峰在本征偶极矩的影响下从暗变为亮。Z 方向的吸收光谱均出现蓝移，强度相比于 X-Y 方向减小约了两个数量级。 |
▲ | 图 4. 三种堆叠方式对应的最低能量层间激子波函数的实空间分布，空穴固定于黑点处。跃迁过程中不同的轨道贡献导致 1-SSe 与 2-SeSe 和 3-SS 的波函数分布方式不同，且由于 1-SSe 的 VBM 有 WSSe 层中 S 原子的 pz 轨道参与，导致图(a)中的 IX0 变为杂化激子，有 9.7% 的电子波函数分布于 MoSSe 层。 |
▲ | 图 5. 压力为 0GPa，2GPa 和 4GPa 时有限动量吸收光谱。压力增大时 K 点处能谷与 Λ 和 T 处能谷移动方向相反，导致在考虑动量后光谱移动方向与 Q=0 时相反。 |
▲ | 图 6. 压力为 0GPa，2GPa 和 4GPa 时第一布里渊区的激子能带图。蓝色虚线和红色实线分别对应 Q=0 时最低能量激子和第一个亮激子。最低激发能量位于 Q≈1/2，对应 Γ 和 Λ 能谷间的间接跃迁。 |
论文信息
Dipole moment and pressure dependent interlayer excitons in MoSSe/WSSe heterostructures
Rongtian Pang and Shudong Wang*（王舒东，内蒙古大学）
Nanoscale, 2022, 14, 3416
http://doi.org/10.1039/D1NR06204B
内蒙古大学第一作者
内蒙古大学物理科学与技术学院，硕士研究生，研究方向为二维材料中的激子光性质。
内蒙古大学通讯作者
内蒙古大学物理科学与技术学院副教授。2012 年毕业于东南大学物理系，获理学博士学位。2012-2015 年在意大利国家研究委员会纳米科学研究所表界面中心做博士后。2015 年任职于内蒙古大学物理科学与技术学院。研究方向为激子相关激发态性质的计算，以第一作者、通讯作者在 Nanoscale，Carbon，New Journal of Physics，Applied Physics Letter，Applied Surface Science 等期刊发表多篇论文。
