《Nature Nanotechnology》：一种半导体超晶格！

广泛的过渡金属二硫族化合物(TMDC)半导体可作为单层(ML)晶体，因此，将每种材料精确地集成到范德瓦尔斯(vdW)超晶格(SLs)中，可以实现具有以前未探索过的功能新结构。

在此，来自韩国浦项科技大学的 Moon-Ho Jo等研究者，报道了一种由MoS₂、WS₂和WSe₂等两种不同TMDC MLs组成的具有可编程堆积周期的vdWSLs的原子层-层外延生长。相关论文以题为“Heteroepitaxial van der Waals semiconductor superlattices”发表在Nature nanotechnology上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41565-021-00942-z

数十年来，半导体超晶格(SLs)，即在原子厚度范围内由两个交替半导体组成的周期性层状结构，已成为现代电子、光子学和显示技术中各种异质结器件的材料平台。这种突出的SL例子有很多，通常为III-V化合物半导体SLs(即GaAs/AlGaAs和GaInAs/AlInAs)，如，用于高电子迁移率的晶体管和量子级联激光器，用于发光二极管的GaN/AlGaN SLs以及用于应变Si互补金属氧化物半导体的Si/Ge SLs等等。其中，组成的半导体通过晶格匹配相干的异质界面共价结合，其中二维载流子根据层间耦合强度的程度形成不同的量子阱(QW)结构。同时，范德瓦尔斯(vdW)半导体，通常来源于过渡金属二硫属化合物(TMDCs, MX₂，其中M和X分别代表过渡金属离子和硫根离子)，自然会在单元单分子层(ML)中通过无化学键的vdW间隙产生固有的2D限制。这种vdW半导体MLs显示了不同的电子结构，因此，它们有希望通过将每种vdW QW结构精确地集成到SLs中来创建一种新的vdW QW结构。

尽管研究者对不同vdW MLs的双层堆叠进行了广泛的研究，以研究新型的层间激子，例如层间激子和与扭角相关的强相关性，对vdW SLs的QW态了解较少，主要是因为它们无法通过精确的ML-by-ML合成得到。本文中，研究者注意到近年来半导体金属vdW异质结构阵列的图案化生长和径向vdW SLs的折叠平面vdW异质结构的发展。它们通常是通过与大气中的一些杂质进行人工转移堆垛来制备的，这对于可扩展的集成来说可能不是不可避免的。

在此，研究者报道了利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术直接生长vdW SLs，该技术由MoS₂、WS₂和WSe₂ MLs异质外延堆积而成。通过近平衡极限下异核成核的动力学控制，实现了精确的ML-by-ML序列堆垛。这种ML-by-ML堆叠外延，使得能够实现ML精度可调的vdW SL电子结构。研究者用不同的方法确定了vdW异质界面上的几种原子堆积顺序。与共价半导体相比，vdW ML半导体通常具有更大、更长久的自旋谷极化载流子，可由圆偏振光有效地产生。以相干二维vdW异质界面上的II型带排列为例，研究者演示了谷极化载流子激发——vdW ML半导体中最显著的电子特性之一——根据研究者的(MoS₂/WS₂)_n SLs中的堆栈号n对光激发进行缩放。

图1 MoS₂/WS₂ SLs的ML-by-MLvdW异质外延。

图2 具有可调周期的vdW SLs设计异质外延。

图3 WSe₂/WS₂/MoS₂三层层面内晶体结构的异质外延演化。

图4 II型MoS₂/WS₂ SLs中的谷极化中间层激发。

综上所述，研究者报道了利用ML-by-ML异质外延技术，实现了周期可调vdW半导体SLs的生长。研究者验证了SLs中vdW异质界面上的相干原子堆积顺序。这种相干vdW SLs提供了一套新的可调谐二维电子系统，为研究未知性质和功能的各种固态现象提供了挑战性的机会。作为范例，研究者提出了仅适用于vdW SLs中一系列2D II型带排列的缩放谷偏振光激发。因此，外延设计的vdW SLs可以作为一种具有不同vdW接口的新型QW态的可扩展平台。（文：水生）