单层过渡金属硫族化物平面异质结的界面应变和电子能带图谱

Building heterojunction is a must step to the applications of emergent two dimensional semiconductors, i.e. the atomically thin transition metal dichalcogenides (TMDs). In particular, “lateral heterojunctions” with a line interface between two different TMDs has pushed semiconductor HJs to a new dimension. As yet, the investigation of such lateral HJs is just initiated. The preparation technique has not been well developed, and no experimental study of its crucial physical properties was reported yet. .In this project, by using the molecular beam epitaxial growth, we are going to prepare the monolayer TMDs lateral heterojunctions with atomically precise structure, including multiple compositions, such as MoSe2-WS2 and MoS2-WSe2. The atomically resolved scanning tunneling microscopy will be employed to study the fine structures at the heterojunction interface. In particular, we will unravel the spatial distribution of the strain that originates at the interface due to the lattice mismatch, along with the band-structures modulation by the strain filed. Therefore, an overall understating of the fundamental physical properties of the TMDs lateral heterojunctions, including the band alignment, the band bending and the interface states will be gained. Moreover, we will obtain a controllable regulation of such crucial properties by the atomic doing at the interface. These studies will greatly expedite the applications of TMDs based devices in both electronic and opto-electronic devices.

构建异质结是单层过渡金属硫族化物(TMD)作为一种二维直接带隙半导体走向应用的必经之路。其中单层TMD平面异质结，更是将半导体异质结的概念真正降低到了二维尺度，具有许多新奇的物性和广阔的应用前景。目前对该结构的研究刚刚起步，其制备技术还不完善，很多核心的基础物性还没有过实验报道。.本项目将采用分子束外延技术，在超高真空环境下原位制备结构原子级精确的单层TMD平面异质结构，如MoSe2-WS2、MoS2-WSe2等。利用原子分辨的扫描隧道显微手段，对一维界面的微观原子结构进行深入分析，揭示晶格失配引起的应变在一维外延生长中的产生、分布机理以及应变对于能带结构的调制作用。在此基础上，全面理解这种新兴的二维平面异质结构的能带排列、能带弯曲和界面态等核心基础物性，并尝试通过界面原子掺杂手段对这些基础物性进行调控，为其在电子学、光电子学领域的应用奠定基础。

建异质结是单层过渡金属硫族化物(TMD)作为一种二维直接带隙半导体走向应用的必经之路。其中单层TMD平面异质结，更是将半导体异质结的概念真正降低到了二维尺度，具有许多新奇的物性和广阔的应用前景。目前对该结构的研究刚刚起步，其制备技术还不完善，很多核心的基础物性还没有过实验报道。本项目采用分子束外延技术，在超高真空环境下原位制备结构原子级精确的单层TMD平面异质结构，如MoSe2-WS2、MoS2-WSe2等。利用原子分辨的扫描隧道显微手段，对一维界面的微观原子结构进行深入分析，揭示晶格失配引起的应变在一维外延生长中的产生、分布机理以及应变对于能带结构的调制作用。在此基础上，全面理解这种新兴的二维平面异质结构的能带排列、能带弯曲和界面态等核心基础物性，并尝试通过界面原子掺杂手段对这些基础物性进行调控，为其在电子学、光电子学领域的应用奠定基础。缺陷工程是新兴二维半导体材料光电物性调制的重要手段，我们系统研究了系统研究了单钾原子修饰钨空位的原子-电子结构，与理论计算结合，我们预言单个钾原子吸附所贡献的电子，在钨缺陷上会形成未配对电子，导致局域磁矩的产生，为二维半导体材料在自旋器件应用和能谷-自旋-偏振结合的光电器件开发提供了新的可能。最后，原子级厚度的二维材料分离与堆叠，赋予了物性调控的新自由度。相比于三维晶体材料中的化学键，二维材料层间相对较弱的范德华相互作用在其分离与堆叠中扮演着重要的角色，在本项目支持下，我们在原子级精度上确定了单根纳米线的本征原子结构与两根/多根纳米线的堆叠结构。结合第一性原理计算与扫描隧道谱研究，首次在过渡金属硫族纳米线体系中揭示了单根纳米线的半导体特性，其带隙大小约为60 meV。两根纳米线间范德华作用，会关闭这一带隙，体系发生半导体金属转变。随堆叠根数变化也为制备与构建电子特性可调的一维材料体系提供了重要思路。