免費下載！
[!--downpath--]▲第一作者：Luis E. Parra López
通訊作者: Stéphane,
通訊單位：Japan deet des Maté
數字編號：
01
研究背景
范德華異質結構的電子和光學性質受到納米級和原子級環境的結構和均勻性的強烈影響。 闡明這些密切的結構-性能關系是剖析超高空間速率范德華材料中光與物質相互作用方式所需的關鍵挑戰。
02
研究問題
在這項研究中，高溫掃描隧道顯微鏡用于檢測范德華異質結構的激子發光，該異質結構由堆疊在由 Au(111) 基板支撐的幾層上的過渡金屬硫化氫雙層組成，以原子級碼率進行。 層狀石墨烯片（FLG）。 這項研究報告了由中性、帶電和局域激子產生的尖銳發射線。 它們的剛度和發射能量隨著范德華異質結構的納米級形貌而變化，解釋了用衍射極限手段觀察到的發射特性的變化。 這項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象鋪平了道路。
▲圖1|STM誘導的MoSe2/FLG/Au(111)異質結構發光
要點：
1. 本研究中的測定是在 vdW 異質結構上進行的，該異質結構由堆疊在 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）實驗示意圖、MoSe2/FLG/Au(111)異質結構的光學圖像和原子辨別的恒流STM圖像。 在這里原子發光現象有哪些，與六方碳化硼類似，FLG為TMD提供了光滑的基材并確保了導電性。 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STML實驗中的輻射復合。
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 異質結構原子不同區域的底部（圖 1c）。 該光譜的特點是在 1.659±0.001eV 處有一條突出的發射線，其特點是在 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 光譜進行比較，可以將高能和低能發射線分別分配給 X0 和 X?。
▲圖2| 非均勻納米級水景中的空間解析 STML
要點：
1. STML 可用于識別在高達幾百納米的原子尺度上發生的不均勻性，并確定它們如何影響輻射復合。 因此，本研究首先在異質結構的典型區域上記錄了 STM 圖像（圖 2a），該區域大致對應于衍射極限激光光斑覆蓋的區域。 該圖像顯示了由波紋、折疊和凸起分隔開的平坦區域，這些波紋、折疊和凸起源自異質結構與基底的氫鍵合。 這些所謂的納米氣泡通常高 1 nm，寬 10 nm，對應于 TMD 和 FLG 稍微分離的區域，很可能是由于 MoSe2、FLG 和 Au 之間的界面處殘留的有機吸附物所致。 圖 2b 提供了位于平坦區域后面的典型突出物的偽三維圖像。
2. 在平坦區域（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射。 X0能量EX0高于STML譜（圖1e），表明存在相當大的拉伸應變（圖1d）。 在納米氣泡底部約 5 nm 處，X0 發射（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域（紅十字）相對的異質結構（紅十字）斷裂。 在平坦區域，STML 光譜的特征再次是分配給 X0 的單個窄發射線（2.；圖 2e）。 相比之下，斷裂區域顯示出復雜的光譜，在 X0 發射上方有幾個窄（~700 μeV）共振，這可能是由局域激子引起的。
▲圖3| 原子分析領域的STML
要點：
1. 接下來，本研究評估原子尺度水景如何影響 MoSe2 雙層中的激子發射。 在圖 3a-c 中，本研究展示了異質結構三個平坦區域的原子差異 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域中獲取的。 在圖3a中，STM圖像闡明了TMD的原子結構以及亮區和暗區，表明在幾納米內有平滑的高度調制。 這里的 STML 光譜沒有受到這種調制的顯著影響，并且以典型的 X0 和 X? 發射線為特征。
2. 在圖3b、c中，可以區分出莫爾圖案，表明MoSe2/FLG界面的質量優于圖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）對應于 MoSe2 和 FLG 層之間 3.1° ± 0.3° 的扭轉角。
3. 此外，在圖 3c 的成像區域中觀察到兩條發射線（圖 3d，深紅色符號）原子發光現象有哪些，僅相隔 20 meV。 相對于圖 3a 中的數據，X0 線強烈紅移 70 meV。 這里可以排除對缺陷引起的發射的解釋，因為圖 3c 中沒有成像原子缺陷。
▲圖4|STS和提出的STML微機制
要點：
1. 最后，本研究解決了隧道電壓和 STML 頻譜對同一采樣點的尖端采樣偏置 V 的依賴性。 原則上，激子結合能 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 譜推導出電子間隙為 2.17±0.04eV 時，價帶和導帶的起始點分別為 -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制，其靈感來自于為解釋分子 STML 數據而開發的多體方法。 最初處于能級（GS）（用作能級原點）的系統近似為雙基態系統，其中較低基態被電子搶占，而較高基態為空。 在正 V ≈ 0.49 V 時，電子可以從尖端隧道到 TMD（圖 4c，紅色箭頭），在那里它被驅動進入帶負電（電子）共振（ER）。 這些狀態僅被短暫填充，因為通過將額外的電子隧道傳輸至 FLG/Au 基板，TMD 可以有效地驅動回 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 躍遷相關聯。
03
結語
這項研究已經證明了具有短周期莫爾超晶格的原子分化 vdW 異質結構的 STM 誘導激子發光納米顯微鏡。 這項研究直接闡明了納米級環境如何影響發光特性，從而導致大量的激子能量轉移以及在僅相距幾納米的區域上出現帶電和局域激子發射。 此前對熒光顏料的研究表明，可以實現亞分子碼率的STML。 在這里，本研究討論了一個擴展系統，其中 ES-Mott 激子可以在輻射復合之前擴散納米級到微米級的距離。 本研究中對空間不均勻區域中的局域激子的檢測闡明了空間碼率的上限約為 5 nm。 當應用于 vdW 異質結構時，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散提供寶貴的機會。
原文鏈接：
相互
關閉
推
推薦
更多科研繪圖、軟件使用、表征分析、SCI寫作、名師介紹等干知識請進入后臺自主查詢。