背景介绍
近年来，二维WS2/MoS2双层范德华异质结因其Type-II能带对齐方式，表现出卓越的光子捕获能力及层间激子发光性质，被广泛应用于太阳能电池、发光二极管、LED、光电传感等新型纳米光电器件。然而，相比于传统硅基器件，基于双层范德华异质结器件的量子效率仍缺乏竞争力。研究人员在异质结界面中插入hBN绝缘层，以降低器件暗电流，提升器件性能。但是，所插入单层hBN薄膜对WS2/MoS2异质结光学性质调控的实验研究和物理机制分析，目前仍不充分。因此，系统地探究WS2/hBN/MoS2异质结的激子和电子能带结构，以及在此过程中单层hBN薄膜层间耦合调控机制十分重要，这将为相应器件性能的进一步提升奠定物理基础。
研究方法 本项目研究主要采用椭圆偏振光谱测量技术（Spectroscopic Ellipsometry，即SE），使用SE得到了WS2/MoS2和WS2/hBN/MoS2异质结的光学常数、介电函数、吸收系数等信息，基于光学常数谱，采用标准临界点模型和洛伦兹模型等，对异质结薄膜的带间跃迁和激子性质进行了创新性研究分析。 成果简介 研究发现：单层hBN插入后，WS2/hBN/MoS2异质结中仍存在层间电荷转移，说明单层hBN不足以阻断原异质结的层间耦合作用。与此同时，相比WS2/MoS2，WS2/hBN/MoS2带边附近的临界点跃迁能量基本没有变化，即准粒子带隙基本保持稳定，这是由于hBN插入引起量子限制作用释放和介电屏蔽作用削弱相互抵消的结果。而薄膜的激子性质主要受介电屏蔽作用的调制，单层hBN插入后，介电屏蔽作用减弱，导致WS2/hBN/MoS2异质结激子束缚能蓝移。稳定的准粒子带隙和蓝移的激子束缚能，使得激子跃迁能量红移。 图文导读 图1 WS2/hBN/MoS2异质结（a）堆叠方式和（b）能带结构示意图。（c）Raman测试结果。 图2 1L-MoS2，1L-WS2，WS2/MoS2和WS2/hBN/MoS2异质结PL测试结果。 图3 (a) 准粒子带隙与激子束缚能、激子跃迁能量的关系，(b) 临界点跃迁能量，（c-d）激子跃迁能量和束缚能。 作者简介 张荣君，复旦大学信息科学与工程学院教授，兼任复旦大学工程与应用技术研究院副院长，博士生导师；为Light Science & Applications期刊 Shanghai Office 负责人、《中国光学》编委；长期主要从事光电信息功能材料与器件、光谱分析系统等方面研究和教学。已主持包括国家科技重大专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金和重点企事业单位合作等科研课题和项目近20项，曾获教育部国家技术发明奖一等奖等奖励。已在国内外高水平学术期刊发表论文180余篇，其中ESI高被引论文3篇。 个人主页链接：https://optics.fudan.edu.cn/ShowPeople.aspx?info_lb=441&flag=98&info_id=1558 丛春晓，复旦大学信息科学与工程学院教授，微纳系统中心主任，博士生导师，海外高层次引进人才，主要从事二维电子材料及其异质结构的基础物性表征调控与光电器件应用研究。迄今已在Nature Materials、Nature Communications, Advanced Materials等期刊上发表SCI论文120余篇，SCI他引5600余次，web of science H因子44，在Springer和Elsevier发表专著（章节）两部，并应邀在Advanced Optical Materials、Small Methods等期刊撰写综述。主持国家自然科学基金面上项目、上海市面上项目等，承担科技部国家重点研发计划、上海市科委基础研究项目等多项重大科研项目。获澳大利亚第四届二维材料与技术国际会议“青年科学家奖”、复旦大学"巾帼创新奖"、日本亚洲纳米会议“会议奖”等。担任《发光学报》青年编委，《Scientific Reports》编委，为Nature Communications、ACS Nano、Advanced Materials、Small等学术期刊审稿人。 个人主页链接：http://www.it.fudan.edu.cn/Data/View/1141 朱绪丹，复旦大学博士研究生（导师为张荣君教授），本科毕业于电子科技大学。主要从事二维材料及其异质结薄膜光学性质的研究，研究成果发表于Nanoscale，Nano Research，Applied Surface Science，和《中国光学》等国际高水平学术期刊。 文章信息 Xudan Zhu, Junbo He, Rongjun Zhang*, Chunxiao Cong*, Yuxiang Zheng, Hao Zhang, Songyou Wang, Haibin Zhao, Meiping Zhu, Shanwen Zhang, Shaojuan Li & Liangyao Chen. Effects of interlayer coupling on the excitons and electronic structures of WS2/hBN/MoS2 van der Waals heterostructures.Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-021-3774-4.
