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《Nat. Mater.》：轉角六方氮化硼

信息來源：本站 | 發布日期： 2024-09-14 08:27:33 | 瀏覽量：118333

摘要：

莫爾超晶格已被證明是一個非常豐富的材料平臺，通過改變扭轉角、摻雜或電場來設計電子帶，可以實現不同的物質相。然而，現有的莫爾系統在各個方面都存在局限性。首先，用于電子能帶工程的莫爾條紋通常形成于具有相似晶格常數的范德華（vdW）層之間。其次，電勢深度因層間…

莫爾超晶格已被證明是一個非常豐富的材料平臺，通過改變扭轉角、摻雜或電場來設計電子帶，可以實現不同的物質相。然而，現有的莫爾系統在各個方面都存在局限性。首先，用于電子能帶工程的莫爾條紋通常形成于具有相似晶格常數的范德華（vdW）層之間。其次，電勢深度因層間耦合而固定，不易調整。第三，晶格和電子性質必然耦合，從而導致不理想的限制，例如小扭轉角下的晶格重構。因此，將莫爾勢的產生與功能層分離開來的新方法將大大提高莫爾工程的靈活性。

六方氮化硼（hBN）作為一種寬間隙絕緣體，在 vdW 材料和異質結構中發揮著至關重要的作用。在絕大多數研究中，氮化硼層作為無源層，如原子光滑基底、覆蓋層或超薄隧道勢壘，顯著提高了電荷載流子遷移率或減少了光學諧振的不均勻展寬。一個例外是，由于 hBN 和石墨烯層的晶格常數相似，它們之間可能會形成莫爾條紋，從而改變多層材料的性能。例如，hBN 在中紅外范圍內表現出自然雙曲色散，在室溫下可容納缺陷結合的單光子發射器，并可用作紫外線光子探測器。最近，人們發現扭曲的 hBN（t-hBN）雙層膜在傳輸和掃描探針測量中都表現出鐵電態。

二、研究成果

在這里，德克薩斯大學奧斯汀分校Li Xiaoqin和德克薩斯州立大學Yoichi Miyahara課題組證明了 t-hBN 雙層膜或多層膜表面的靜電勢可用于在相鄰功能層上施加通用莫爾勢。這種莫爾勢可通過幾種方式進行調節。首先，莫爾勢深度會隨著超晶胞尺寸和頂部 hBN 層厚度的變化而變化。電勢的大小與源自界面電荷再分配的電極化簡單理論的預測一致。此外，這種表面電勢可以在由三個 t-hBN 層形成的雙莫爾配置中進行設計。當兩個莫爾條紋的超晶胞尺寸相似時，每個界面上的電勢都會發生建設性的增加，從而產生約 400 meV 的更深電勢調制。當兩個莫爾紋的超胞尺寸不同時，就會形成多種偏振態，從而實現不同的應用，例如用于多態存儲器的鐵電疇。作為控制功能層光學特性的一個例子，他們展示了 t-hBN 襯底如何阻礙相鄰 MoSe₂ 單層的激子擴散。他們的工作可能會激發未來的研究，將 t-hBN 襯底與相當不同的材料（如具有不同晶格常數和對稱性的層狀材料或極性分子和聚合物）結合起來，從而擴大莫爾工程在材料科學中的應用范圍。相關研究工作以“Electrostatic moiré potential from twisted hexagonal boron nitride layers”為題發表在國際頂級期刊《Nature Materials》上。祝賀！

三、圖文速遞

圖1. t-hBN襯底的靜電莫爾電位改變了相鄰功能層的性質

圖2. t-hBN雙層表面莫爾電位的超晶格尺寸依賴性

圖3. 雙莫爾超晶格和多層膜中增強的勢深和多層偏振態

在對 t-hBN 雙層膜有了充分了解之后，他們通過組裝由三個 t-hBN 層組成的雙莫爾結構來進一步設計莫爾勢。在圖 3a 所示的例子中，他們組裝了三個 hBN 層，每個層的厚度約為 20 nm，扭轉角約為 0.02°。圖 3b 比較了圖 3a 中藍線和紅線所示區域的單莫爾紋和雙莫爾紋區域的表面電勢。圖 3b 中的雙莫爾紋結構（紅色數據點和曲線）的電勢調制幾乎是單莫爾紋超晶格（藍色數據點和曲線）的兩倍，當分析兩個約 800 nm 的超晶胞時。在雙莫爾紋區域，由于來自每個界面的靜電勢會產生建設性的增加，因此電勢調制的深度可達 V_double = 390 meV（圖 3b）。在這個例子中，他們分析了接近 ~1 μm 的大型超級胞體。在峰值附近可以觀察到由于晶格重構而導致的正弦函數偏差，例如單個摩爾紋區域。摩爾紋超晶格的完全晶格弛豫會導致 AB 和 BA 原子序被尖銳的疇壁分隔開來。

圖 3c 展示了雙莫爾結構的另一個例子，它由兩個界面組成，兩個界面的周期非常不同，分別為 ~3.5 μm 和 ~300 nm，對應的扭轉角分別為 0.004°和 0.05°。每層厚度約為 20 nm。在較大的超晶胞被藍色虛線包圍的地方，可以清楚地觀察到堆疊的三角形超晶胞。對兩個大超晶胞邊界上的電勢調制進行線切割（紅線），他們觀察到在振幅約為 120 mV 的正弦調制上疊加了約 150 mV 的階梯狀增加（圖 3d）。

圖4. t-hBN襯底的莫爾勢阻礙了單層MoSe₂中激子的擴散

在這里，他們展示了層內激子在 MoSe₂ 單層中的擴散受到 t-hBN 襯底施加的莫爾勢的阻礙。在這一過程中，他們發現了一些新的問題。他們進行了空間分辨泵浦探針實驗，以比較樣品中兩個區域（圖 4b 中紅點標出的區域）的激子擴散情況，這兩個區域分別為單層 hBN 或具有 ~700 nm 超微粒的 t-hBN 雙層。

圖 4c-e 顯示了 MoSe₂/單 hBN 區域激子擴散的空間圖像。圖 4f 顯示了每幅圖像的線切割（白色虛線）。隨著泵浦和探針之間延遲時間的增加，可以清楚地觀察到激子擴散超出了激發激光光斑（黑色虛線）。相比之下，在 MoSe₂/t-hBN 區域觀察不到激子擴散（圖 4g-j）。在以前對由 hBN 封裝的 TMD 單層進行的許多研究中，都觀察到了激子擴散現象。

四、結論與展望

總之，他們對 t-hBN 層表面的深層靜電勢進行了量化，并認為它可以對相鄰功能層施加普遍的莫爾勢調制。他們建立了一個簡單的模型，通過靜電勢隨扭轉角和與界面 z 的距離的系統變化來描述這種靜電勢，并展示了雙莫爾結構中兩個界面的累積效應，其電勢深度可達 ~400 meV。在以前研究的莫爾紋系統中，無法達到如此強的莫爾紋電勢深度。作為控制相鄰半導體單層特性的一個簡單例子，他們證明了激子擴散會受到 t-hBN 襯底的阻礙，補充了之前關于石墨烯/hBN 襯底對激子共振的介電調制的研究。此外，他們還計算了如何結合 t-hBN 襯底和柵極電壓來調整天然石墨烯雙層的電子帶，使其從拓撲平凡變為非平凡。hBN 與功能層之間的異質界面不應改變功能層的能帶，將 hBN 用作襯底和覆蓋層的常見做法就證明了這一點。因此，他們的工作為拓寬莫爾工程學以周期性調節各種電子和光子功能層的特性提供了一種可行的方法。

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