【引言】

近年來，維平二維（2D）材料由于其獨(dú)特的面量性能和良好的應(yīng)用前景而引起了研究人員的廣泛關(guān)注，其出現(xiàn)引發(fā)了對新型異質(zhì)結(jié)的阱超晶格研究。最近科研人員已經(jīng)獲得高質(zhì)量的位動生二維多重異質(zhì)結(jié)及超晶格等功能化結(jié)構(gòu)，然而受限于目前的錯驅(qū)長材微納加工和生長技術(shù)，所制備的料牛圖案化人工超結(jié)構(gòu)尺度仍然較大，構(gòu)筑寬度小于5納米的維平具有顯著量子特性的功能化二維超晶格結(jié)構(gòu)仍然是一個挑戰(zhàn)。

【成果簡介】

?近日，面量中國科學(xué)院大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院及中國科學(xué)院拓?fù)淞孔佑?jì)算卓越創(chuàng)新中心的阱超晶格周武研究員、張余洋副教授等與多個課題組合作，位動生利用了2D平面?zhèn)认虍愘|(zhì)結(jié)中兩種半導(dǎo)體材料之間的錯驅(qū)長材界面失配位錯驅(qū)動二維量子阱的生長，構(gòu)筑了半導(dǎo)體單層內(nèi)高質(zhì)量的料牛寬度小于2納米的量子阱以及量子阱超晶格。同時結(jié)合原子分辨的維平電鏡結(jié)構(gòu)表征和理論計(jì)算，揭示了此類新型二維量子阱超晶格的面量生長機(jī)制。該研究為制備高質(zhì)量二維超晶格結(jié)構(gòu)提供了新的阱超晶格思路。該研究發(fā)表于Science Advances，題為“Dislocation-driven growth of two-dimensional lateral quantum-well superlattices”。

?【圖文導(dǎo)讀】

圖1. 嵌入單層WSe₂晶格內(nèi)的WS₂量子阱結(jié)構(gòu)和應(yīng)變分析

（A）寬度為1.2nm的WS₂量子阱的原子分辨率STEM-ADF圖像。黃色虛線突出顯示了WS₂量子阱和WSe₂晶格之間的共格界面。 六邊形強(qiáng)調(diào)格子的方向。

（B和C）與（A）中同區(qū)域的能譜成像分析分別顯示了WS₂和WSe₂的空間分布。

（D和E）為WS₂量子阱的高分辨率STEM-ADF圖像以及相應(yīng)的原子結(jié)構(gòu)模型。

（F到H）整個65 nm長的WS₂量子阱的STEM-ADF以及量子阱周圍相應(yīng)的應(yīng)變分布。

（I和J）為STEM-ADF圖像，顯示了（F）中WS₂量子阱頂端的位錯核的原子排列和相應(yīng)的原子模型。

圖2. 在WSe₂/WS₂平面?zhèn)认蚪缑嫣幍闹芷谛晕诲e陣列的形成和WS₂量子阱的位錯驅(qū)動生長

（A）圖顯示（I）周期性位錯陣列的形成，（II）WS₂量子阱的位錯驅(qū)動生長，和（III）WSe₂/ WS₂側(cè)向異質(zhì)結(jié)中2D量子阱超晶格的形成。

（B）未形成WS₂量子阱的WSe₂/ WS₂側(cè)向界面的STEM-ADF圖像。外延界面由黃色虛線突出顯示。

（C）相應(yīng)的應(yīng)變分布，疊加在ADF圖像上，顯示在異質(zhì)界面處形成周期性位錯陣列。

（D）WSe₂/ WS₂側(cè)向界面的STEM-ADF圖像與WS₂量子阱的形成。 WS₂量子阱顯示為具有相同寬度的暗條紋。

（E）對應(yīng)的應(yīng)變圖，疊加在ADF圖像上，顯示在每個WS₂量子阱的頂端存在位錯核。

圖3.WSe₂中WS₂量子阱的生長機(jī)制

（A）由于晶格失配而在WS₂/WSe₂界面處的5|7位錯的原子模型，

（B）位錯通過插入W原子和S₂對發(fā)送攀移進(jìn)入WSe₂，

（C）用S取代位于5|7位錯五角形處的Se原子，

（D）隨后在5|7位錯旁以S取代了Se原子，產(chǎn)生了一個四單胞寬度的WS₂納米種晶。

（E）不同水平的壓縮應(yīng)變下S_Se取代的能壘。

（F）基于（B）中原子模型的鍵長分析的應(yīng)變圖。綠色虛線表示W(wǎng)S₂/WSe₂界面。

（G）結(jié)構(gòu)模型顯示在重復(fù)插入-置換過程六次后四個單胞寬和六個單胞長的WS₂帶。

圖4. 生長具有原子級銳利側(cè)向邊界的二維量子阱超晶格。

（A）用HSE06泛函計(jì)算的WSe₂/ WS₂超晶格的原子結(jié)構(gòu)模型和能帶排列。價帶頂（VBM）和導(dǎo)帶底（CBM）分別用黑線和紅線表示。 黃色為S，紫色為Se;

（B）低倍放大的STEM-ADF圖像，顯示了MoSe₂單層中沿量子阱超晶格形成方向的長達(dá)幾百納米的平行MoS₂量子阱。

?【小結(jié)】

量子阱陣列在WSe₂/WS₂和MoSe₂/MoS₂側(cè)向異質(zhì)結(jié)中的成功生長表明，這種位錯驅(qū)動的生長機(jī)制應(yīng)該適用于更廣泛的2D單層與晶格失配組合，因?yàn)樗鼈兊慕Y(jié)構(gòu)具有相似性。因而“該方法很可能被廣泛推廣到其他過渡金屬硫族化合物中，為調(diào)控二維平面異質(zhì)結(jié)從而獲取新穎電子和光學(xué)特性提供了新的機(jī)遇。”

文獻(xiàn)鏈接： Dislocation-driven growth of two-dimensional lateral quantum-well superlattices (Science Advances 2018, DOI: 10.1126/sciadv.aap9096)

課題組簡介請參照周老師主頁：http://people.ucas.ac.cn/~wuzhou

本文由材料人計(jì)算材料組Annay供稿，材料牛整理編輯。

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