基于单层或数层原子分子薄膜材料电子-声子耦合作用实现地可控超晶格

Much attention has been paid to the coherent manipulation of some microscopy particles (such as electrons, excitons) by controllable periodic fields in atomic/molecular monolayer or multilayer systems. Comparing with the conventional modulation of electrons by spatially localized fields or other short-range potentials, there are many benefits for the long-range modulation by periodic potentials to realize quantum correlations of electrons in a long-distance scale or over a large area, and to develop some photovoltaic microchip-integrated devices with powerful performances. The project is based on single or several layers of transition metal dichalcogenides, and the objective is to prepare molecular layer superlattices through electron-phonon coupling. Acoustic phonon waves are introduced on the film to achieve a periodic modulation of electronic energy band structure. We will experimentally study the energy dispersion and dynamical characteristic of electrons in such monolayer superlattices by using the Surface /Interface micro-Photoluminescence /Raman Spectroscopy and the photoemission angle /moment /polarization-resolved multifunction optical platform. In combination with theoretical modeling, the underlying physical mechanisms of spin orientation and collective behavior of particles in such a low dimensional system will be explored.

在单层或数层原子分子薄膜体系中，构造周期调制势以实现对电子/激子等微观粒子的相干调控是近年来新兴方向之一。周期势场的长程调控作为以往“定点、空间局域等短程调控电子行为”的补充，有利于在长距离尺度、大面积范围内实现量子关联，以及应用于未来具有高强度、高性能的光电微纳集成器件。本项目拟在单层或少数几层过渡金属硫族化物分子薄膜上，引入声学声子波以实现对电子能带的周期调制，制备基于电子-声子耦合的分子层超晶格。结合表面/界面显微荧光/拉曼光谱技术和角度/时间/自旋分辨的多功能光学平台，揭示并理解电子、激子等微观粒子在这种分子级厚度的低维超晶格系统中的能谱特征和动力学演化行为。研究低维超晶格系统在粒子自旋取向、相位关联等方面所展现的奇异物性和集体行为。

在单层或数层原子分子薄膜材料构成的低维量子系统中，引入周期势场调控电子能带结构和传导行为是一个意义重大并极具挑战的热门分支。借助微纳结构设计和微纳加工技术，本项目制备了叉指换能微纳结构阵列，实现了表面声子波耦合导入二维过渡金属硫化物薄膜材料，并在此体系中研究了材料的光电特性：（1）利用微纳技术手段生长特定结构的叉指换能声表面波阵列，将其有效地导入二维单分子薄膜样品上。（2）研究单层或数层原子分子薄膜样品在附加声子波周期调制前后电子能级结构的变化。利用光谱手段，研究WSe2/WS2分子薄膜样品在耦合声子波调制后荧光光谱的变化。（3）研究应力引起的表面塑形效应对激子发光的影响。单层表面的形貌改变不仅能通过调控电子能带结构而使单层产生新的发光峰，还能影响发光峰的偏振特性，与线偏度和线偏方向高度相关。（4）研究外加电场调制对光谱特性的影响。通过施加偏压，结合光致发光光谱研究能级结构改变和载流子迁移导致的光学性质的变化。以上成果有利于在光电探测、信号编码、光电子集成等诸多领域实现应用。.经过四年的努力，现已基本完成项目计划内容。本项目在多篇国际一流期刊论文的致谢项目中排名前三，包括Physical Review Letters、Nature Communications、Laser & Photonics Reviews、Nanoscale等。项目培养了2名博士研究生，3名硕士研究生。