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[!--downpath--]▲第一作者：Luis E. Parra López
通訊作者: Stéphane,
通訊單位：Japan deet des Maté
數(shù)字編號：
01
研究背景
范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電子和光學(xué)性質(zhì)受到納米級和原子級環(huán)境的結(jié)構(gòu)和均勻性的強(qiáng)烈影響。 闡明這些密切的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系是剖析超高空間速率范德華材料中光與物質(zhì)相互作用方式所需的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
02
研究問題
在這項(xiàng)研究中，高溫掃描隧道顯微鏡用于檢測范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)的激子發(fā)光，該異質(zhì)結(jié)構(gòu)由堆疊在由 Au(111) 基板支撐的幾層上的過渡金屬硫化氫雙層組成，以原子級碼率進(jìn)行。 層狀石墨烯片（FLG）。 這項(xiàng)研究報告了由中性、帶電和局域激子產(chǎn)生的尖銳發(fā)射線。 它們的剛度和發(fā)射能量隨著范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)的納米級形貌而變化，解釋了用衍射極限手段觀察到的發(fā)射特性的變化。 這項(xiàng)研究的工作為理解和控制原子級碼率莫爾超晶格中的光電現(xiàn)象鋪平了道路。
▲圖1|STM誘導(dǎo)的MoSe2/FLG/Au(111)異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光
要點(diǎn)：
1. 本研究中的測定是在 vdW 異質(zhì)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行的，該異質(zhì)結(jié)構(gòu)由堆疊在 FLG 底部的多層（從三層到五層不等）上的二硒化鉬 (MoSe2) 雙層組成。 圖1a-c分別顯示了---（STML）實(shí)驗(yàn)示意圖、MoSe2/FLG/Au(111)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光學(xué)圖像和原子辨別的恒流STM圖像。 在這里原子發(fā)光現(xiàn)象有哪些，與六方碳化硼類似，F(xiàn)LG為TMD提供了光滑的基材并確保了導(dǎo)電性。 這些配置還利用銀尖端-金基底連接處的等離子體特征（圖1a）來增強(qiáng)STML實(shí)驗(yàn)中的輻射復(fù)合。
2.本研究首次報道了使用半徑約為1μm的激光束在樣品上各個近距離點(diǎn)異位記錄的高溫μPL檢測值（圖1b）。 顯著不同的 μPL 光譜（圖 1d）表明亞微米尺度上存在相當(dāng)大的不均勻性。 這種不均勻性可能源于將樣品引入 STM 室之前進(jìn)行的熱溶解。
3. 圖 1e 顯示了典型的 STML 光譜，其中 STM 尖端位于 MoSe2/FLG/Au 異質(zhì)結(jié)構(gòu)原子不同區(qū)域的底部（圖 1c）。 該光譜的特點(diǎn)是在 1.659±0.001eV 處有一條突出的發(fā)射線，其特點(diǎn)是在 1.630±0.001eV 處具有較低的硬度。 這兩條線的半峰全寬 (FWHM) 分別為 11 和 14 meV。 與之前討論的 μPL 光譜進(jìn)行比較，可以將高能和低能發(fā)射線分別分配給 X0 和 X?。
▲圖2| 非均勻納米級水景中的空間解析 STML
要點(diǎn)：
1. STML 可用于識別在高達(dá)幾百納米的原子尺度上發(fā)生的不均勻性，并確定它們?nèi)绾斡绊戄椛鋸?fù)合。 因此，本研究首先在異質(zhì)結(jié)構(gòu)的典型區(qū)域上記錄了 STM 圖像（圖 2a），該區(qū)域大致對應(yīng)于衍射極限激光光斑覆蓋的區(qū)域。 該圖像顯示了由波紋、折疊和凸起分隔開的平坦區(qū)域，這些波紋、折疊和凸起源自異質(zhì)結(jié)構(gòu)與基底的氫鍵合。 這些所謂的納米氣泡通常高 1 nm，寬 10 nm，對應(yīng)于 TMD 和 FLG 稍微分離的區(qū)域，很可能是由于 MoSe2、FLG 和 Au 之間的界面處殘留的有機(jī)吸附物所致。 圖 2b 提供了位于平坦區(qū)域后面的典型突出物的偽三維圖像。
2. 在平坦區(qū)域（圖 2c，紅色）獲得的 STML 光譜的特征是 X0 線位于 1.590 ± 0.001 eV，并且不存在三激子發(fā)射。 X0能量EX0高于STML譜（圖1e），表明存在相當(dāng)大的拉伸應(yīng)變（圖1d）。 在納米氣泡底部約 5 nm 處，X0 發(fā)射（紅色）幾乎亮六倍，表明底層 FLG 的猝滅減少。 光譜顯示 X0 線下方有一個額外的峰，該峰比 X 結(jié)合能（~30 meV；圖 1e）顯著紅移（40 meV）。 由于本研究的樣品僅是弱摻雜的（圖 4a），因此該峰不能歸屬于涉及導(dǎo)帶邊緣以上約 10 meV 處的電荷自旋的帶電激子。 為此，它被暫時分配給局部近缺陷（XL）的激子。 同樣，STML 光譜在較大的異質(zhì)性（例如斷裂和皺紋）周圍變化很大。
3. 圖 2d 提供了一個示例，其中觀察到與平坦區(qū)域（紅十字）相對的異質(zhì)結(jié)構(gòu)（紅十字）斷裂。 在平坦區(qū)域，STML 光譜的特征再次是分配給 X0 的單個窄發(fā)射線（2.；圖 2e）。 相比之下，斷裂區(qū)域顯示出復(fù)雜的光譜，在 X0 發(fā)射上方有幾個窄（~700 μeV）共振，這可能是由局域激子引起的。
▲圖3| 原子分析領(lǐng)域的STML
要點(diǎn)：
1. 接下來，本研究評估原子尺度水景如何影響 MoSe2 雙層中的激子發(fā)射。 在圖 3a-c 中，本研究展示了異質(zhì)結(jié)構(gòu)三個平坦區(qū)域的原子差異 STM 圖像，彼此間隔幾微米。 STML 光譜（圖 3d）是在圖 3a-c 中指針指示的尖端位置的每個區(qū)域中獲取的。 在圖3a中，STM圖像闡明了TMD的原子結(jié)構(gòu)以及亮區(qū)和暗區(qū)，表明在幾納米內(nèi)有平滑的高度調(diào)制。 這里的 STML 光譜沒有受到這種調(diào)制的顯著影響，并且以典型的 X0 和 X? 發(fā)射線為特征。
2. 在圖3b、c中，可以區(qū)分出莫爾圖案，表明MoSe2/FLG界面的質(zhì)量優(yōu)于圖3a、b，這與激子線寬從11meV開始減小是一致的（圖3b、c）。 .3a) 至 9meV (圖 3b) 和 4meV (圖 3c)。 0.95 ± 0.02 nm 的莫爾周期（圖 3c）對應(yīng)于 MoSe2 和 FLG 層之間 3.1° ± 0.3° 的扭轉(zhuǎn)角。
3. 此外，在圖 3c 的成像區(qū)域中觀察到兩條發(fā)射線（圖 3d，深紅色符號）原子發(fā)光現(xiàn)象有哪些，僅相隔 20 meV。 相對于圖 3a 中的數(shù)據(jù)，X0 線強(qiáng)烈紅移 70 meV。 這里可以排除對缺陷引起的發(fā)射的解釋，因?yàn)閳D 3c 中沒有成像原子缺陷。
▲圖4|STS和提出的STML微機(jī)制
要點(diǎn)：
1. 最后，本研究解決了隧道電壓和 STML 頻譜對同一采樣點(diǎn)的尖端采樣偏置 V 的依賴性。 原則上，激子結(jié)合能 Eb 可以估計為從掃描隧道光譜 (STS) 檢測推斷出的局部電子能隙與 EX0 確定的光學(xué)能隙之間的差值。 圖 4a、b 分別顯示了隨偏置電流減小而記錄的微分濁度 (dI/dV) 和 STML 光譜。 從 dI/dV 譜推導(dǎo)出電子間隙為 2.17±0.04eV 時，價帶和導(dǎo)帶的起始點(diǎn)分別為 -1.68±0.03 和 0.49±0.01V，表明弱 n 摻雜。
2. 在圖 4c 中，本研究提出了一種簡單的機(jī)制，其靈感來自于為解釋分子 STML 數(shù)據(jù)而開發(fā)的多體方法。 最初處于能級（GS）（用作能級原點(diǎn)）的系統(tǒng)近似為雙基態(tài)系統(tǒng)，其中較低基態(tài)被電子搶占，而較高基態(tài)為空。 在正 V ≈ 0.49 V 時，電子可以從尖端隧道到 TMD（圖 4c，紅色箭頭），在那里它被驅(qū)動進(jìn)入帶負(fù)電（電子）共振（ER）。 這些狀態(tài)僅被短暫填充，因?yàn)橥ㄟ^將額外的電子隧道傳輸至 FLG/Au 基板，TMD 可以有效地驅(qū)動回 GS（圖 4c，紅色箭頭）。 為此，dI/dV 頻譜（圖 4a）中的 V = 0.49 V 特征可以與 GS→ER 躍遷相關(guān)聯(lián)。
03
結(jié)語
這項(xiàng)研究已經(jīng)證明了具有短周期莫爾超晶格的原子分化 vdW 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的 STM 誘導(dǎo)激子發(fā)光納米顯微鏡。 這項(xiàng)研究直接闡明了納米級環(huán)境如何影響發(fā)光特性，從而導(dǎo)致大量的激子能量轉(zhuǎn)移以及在僅相距幾納米的區(qū)域上出現(xiàn)帶電和局域激子發(fā)射。 此前對熒光顏料的研究表明，可以實(shí)現(xiàn)亞分子碼率的STML。 在這里，本研究討論了一個擴(kuò)展系統(tǒng)，其中 ES-Mott 激子可以在輻射復(fù)合之前擴(kuò)散納米級到微米級的距離。 本研究中對空間不均勻區(qū)域中的局域激子的檢測闡明了空間碼率的上限約為 5 nm。 當(dāng)應(yīng)用于 vdW 異質(zhì)結(jié)構(gòu)時，STML 信號的高光譜映射可以確定該研究方法的最終空間碼率，并將為探索前者中的激子擴(kuò)散提供寶貴的機(jī)會。
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