二维过渡金属硫化物堆垛异质结的可控生长与角分辨光电子能谱研究

Two-dimensional (2D) materials have extraordinary electronic structures and other properties comparing to their 3D prototypes, thus become a subject of rapidly booming research. As a more recent member of the 2D materials family, the transition metal dichalcogennides (TMDCs) semiconductors have attracted extensive interest due to the indirect to direct electronic bandgap transition in the singl-layer limit, spin-splitting of the valence band, and the enhenced excitonic nature of their optical spectra. These exotic properties in 2D limit show great advantages for many application potentials in optoelectronic devices, valleytronics and spintronics. Some proposed strategies based on the 2D TMDC heterostructures show great application potentials in high-responsivity photoelectric response. However, there still have some difficulties in fabricating high-quality stacking heterostrucutres: e.g. difficulties are in controlling the lattice orientations and stacking manners, acquiring large-area samples, and building effective van der Waals coupling in the interfaces. Meanwhile, the experimental research of how the interface structures will affect their electronic sturcutures is still lacking. Therefore, this project plans to realize the molecular-beam-epitaxial (MBE) growth of high-quality 2D stakcing hereostructures base on the TMDCs. Based on the ststematically investigating their electronic structures, interface interactions and optoelectronic responses, this research would open a route to realize the applications of TMDCs and their heterosturcutres in practical devices in future.

二维材料由于具有区别于其三维母体的特殊电子结构，已成为凝聚态物理的一个热点。其中的过渡金属硫化物（二硫化钼等）在二维极限下具有直接-间接带隙转变、自旋极化、和极大增强的激子效应等特性，因此在高效光电子器件、谷电子学及自旋电子学等方面有着潜在的应用前景。许多基于二维过渡金属硫化物堆垛异质结构的相关原型器件也表现出了优异的性能。但是，高质量堆垛异质结构的可控制备还存在着许多困难：如晶格取向与堆垛方式难以控制；界面内有效的范德瓦尔兹耦合难以建立与控制；大面积样品难以获得等缺点。同时，堆垛异质结的界面结构变化对其电子结构影响的实验研究也同样缺乏。因此，本项目拟利用分子束外延技术，以原子级精度可控地制备高质量的二维过渡金属硫化物堆垛异质结构，结合原位的扫描隧道显微镜及角分辨光电子谱研究异质结构的界面结构、特殊电子态及界面调制机制等物理现象，为未来过渡金属硫化物异质结构在实际器中的应用打下物理基础。

二维材料由于具有区别于其三维母体的特殊电子结构，已成为凝聚态物理的重要研究热点之一。其中的过渡金属硫化物家族（二硫化钼等）在二维极限下具有直接-间接带隙转变、自旋极化、和极大增强的激子效应等特性，因此在高效光电子器件、谷电子学及自旋电子学等方面有着潜在的应用前景。许多基于二维过渡金属硫化物堆垛异质结构的相关原型器件也表现出了优异的性能。但是，高质量堆垛异质结构的可控制备还存在着许多困难：如晶格取向与堆垛方式难以控制；界面内有效的范德瓦尔兹耦合难以建立与控制；大面积样品难以获得等缺点。同时，堆垛异质结的界面结构变化对其电子结构影响的实验研究也同样缺乏。.本项目结合分子束外延、角分辨光电子能谱、及扫描隧道显微镜等多种先进技术，在高质量二维拓扑绝缘体1T’-WSe2的单一纯相可控生长、相选择生长及应力调控方面取得重要成果；通过生长过程中的组分精确控制实现了对二维单层半导体合金MoxW1-xSe2的精细能带调控；在石墨烯中发现并直接观测到了杂质诱导的全域谷间电子弹性散射及狄拉克锥折叠现象；制备了不同层厚石墨烯与单层WSe2的异质结构并深入研究了界面间不同的电荷转移效应；实现了单层NbSe2在不同衬底上的生长，并研究了界面作用对其电声子耦合与电荷密度波的影响；发现了六方氮化硼/石墨烯异质结生长过程中的氮化硼对石墨烯的刻蚀效应。以上研究成果对于人们进一步深入理解二维异质结的界面效应与电子关联现象具有重要的科学意义，多种二维异质结的生长方法也为新型量子体系与量子态的构筑打下了良好的基础。