作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 确定单层水库的厚度2
(一)单层二氧化硫(虚线矩形内)的光学图像转移到石墨/氢-氮化硼上
插图是ReSe2薄片的暗场光学图像
(二)单层水库的原子力显微镜图像
插图:剥离的二氧化硅薄片的台阶高度测量为~0
8 0
1纳米，表明单层厚度
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
aaw2347 研究二维半导体中的激子效应并控制它们的激子结合能，可以释放二维材料在光子和光电子器件中的全部潜力
在最近的一项研究中，邱志战和他在新加坡、日本和美国的化学、工程、高级二维材料、物理和材料科学等跨学科部门的同事
S
在背栅石墨烯器件上的单层铼二硒化物(ReSe2)中展示了大的激子效应和栅极可调的激子结合能
他们使用扫描隧道光谱(STS)和差分反射光谱来测量单层ReSe2的准粒子(QP)电子和光学带隙(Eopt)，以产生520兆电子伏的大激子结合能
科学家们通过静电选通实现了单层ReSe2的电子带隙和激子结合能的数百毫伏的连续调谐
邱等
将这一现象归功于石墨烯中门控自由载流子引起的可调库仑相互作用
新的发现现已发表在《科学进展》上，并将为各种技术应用打开一条控制二维半导体带隙重整化和激子结合能的新途径
原子级薄的二维(2-D)半导体通常显示出大的带隙重整化(物理性质的变化)和由于量子限制和降低的介电屏蔽引起的异常激子效应
这些系统中的光-物质相互作用由增强的激子效应控制，物理学家已经研究了这种效应，以便在室温下开发基于激子的器件
二维半导体的一个独特之处是，由于掺杂和环境屏蔽，它们相对于电学和光学性质具有前所未有的可调谐性
单层二氧化锡/石墨烯莫尔条纹的扫描隧道显微镜图像
实验中观察到的典型云纹图案
从几何分析中获得的计算的云纹图案
θ是二氧化锡和石墨烯之间的堆积角
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
aaw2347 研究人员可以通过化学掺杂、静电门控和工程环境筛选等方法，从理论上预测和实验上演示二维半导体中的库仑相互作用，以调整样品的准粒子b和禁带(Eg)以及激子结合能(e b)
在所报道的技术中，静电选通提供了额外的优点，例如连续可调性和与现代器件集成的优异兼容性
然而，带边吸收步骤与强激子共振的重叠使得仅从二维半导体的光吸收光谱来精确确定其Eg变得困难
因此，科学家们使用扫描隧道光谱和光学光谱直接探测二维半导体的Eb，并测量Eg和光学带隙(Eopt)
在目前的工作中，邱等人
类似地，我们使用这种方法来演示背栅石墨烯场效应晶体管(FET)器件的单层ReSe2中的栅极可调Eg和激子效应
他们观察到单层ReSe2在零栅极电压下有520兆电子伏的大Eb，然后通过静电选通从460兆电子伏连续调谐到680兆电子伏，这是由于石墨烯中的栅极控制自由载流子
精确调节二维石墨烯半导体的带隙和激子效应的能力将为优化界面电荷传输或光收集效率提供新的途径
Qui等人
预计目前的发现将对基于人工设计的范德瓦尔斯异质结构的新型电子和光电器件产生深远的影响
Qui等人
首先对单层ReSe2成像，以显示具有三斜对称的扭曲1T结构
由于电荷解耦，四个稀土原子从它们的规则八面体位置滑落，形成具有相互连接的菱形单元的1D链状结构
由于这种拓扑特征，单层的二氧化铈表现出独特的面内各向异性的电子和光学性质，可用于近红外偏振敏感的光电应用
石墨烯上单层ReSe2的栅相关dI/dV和差分反射光谱
Vg = 0 V时单层ReSe2(蓝线)的dI/dV光谱以及计算的LDOS(红色虚线)
(二)VB最大值的能量位置(VBM；红点)和CB最小值(CBM深蓝色点)作为栅极电压的函数
(3)石墨烯/氢氮化硼单层稀土的依赖于门的二价铁/钒光谱
5 K
施加的栅极电压显示在每个STS曲线上方
VBM和煤层气分别用淡红色和淡蓝色表示
(四)在5 K下测量的石墨烯/氢氮化硼单层的栅相关差分反射光谱
相应的栅极电压显示在每个差分反射光谱的一侧
注:背景减除后的原始差分反射光谱(圆圈)；使用洛伦兹函数拟合曲线(实线)
a
u
，任意单位
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
aaw2347
为了探索载流子依赖的激子效应，科学家们首先将单层二氧化硅薄片转移到一个干净的背栅石墨烯场效应晶体管(场效应晶体管)器件上
根据先前建立的配方，该器件由几个部件组成，包括二氧化硅衬底，这与六方氮化硼(hBN)的组成原子平坦度形成对比，六方氮化硼显著降低了石墨烯中的表面粗糙度和电荷不均匀性
石墨烯的使用允许直接扫描隧道显微镜(STM)测量门控单层二氧化硅，同时改善了与单层二氧化硅的电接触
扫描隧道显微镜成像后，原子分辨图像显示出单层二氧化硅的菱形链状结构，具有扭曲的1T原子结构
科学家观察到材料沿两个晶向的堆叠排列为云纹图案，其中单层ReSe2包含一个三斜晶格对称层，在石墨烯上有一个蜂窝状晶格
石墨烯上单层ReSe2的栅可调带隙重整化和激子结合能
QP带隙Eg(黑点)、光学带隙Eopt(红点)和激子结合能Eb(蓝点)与栅极电压的函数关系图
注:Eopt = 1
47 0
当栅极电压从40伏增加到40伏时，01电子伏保持不变
注:相同的Eopt用于计算63、60、50和+45伏栅极电压下的Eb
蓝色实线表示理论预测的Eb与栅极电压的函数关系(更多详情请参考S8部分)
(二)通过石墨烯中的栅控自由载流子屏蔽单层ReSe2中的电子-空穴相互作用的图示
(C)分别在63伏和+45伏栅极电压下单层ReSe2的栅极可调Eg和Eb示意图
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
aaw2347
当他们用扫描隧道光谱探测二氧化锡的局部电子性质时，科学家们在几个莫尔区域观察到了微分电导光谱，显示出相似的特征
作为这项研究的独特之处，邱等人
探讨了准粒子(QP)能带结构作为门电压的函数
在所有栅极电压下，光学带隙(Eopt)几乎保持不变，与Eg的单调下降形成对比，与以前的实验研究一致
为了验证这一点，他们在室温下，在不同的栅极电压下对单层二氧化锡/石墨烯/氢氮化硼样品进行了光致发光测量
依赖于栅极的光致发光光谱显示单层ReSe2的Eopt几乎恒定
科学家们随后确定了激子结合能，并为混合器件中的ReSe2导出了一个大的、栅极可调的带隙重正化
他们通过排除平面外场致极化波函数的贡献，寻找单层ReSe2中栅可调QP带隙重整化和激子结合能的物理来源，并证实了它们来自石墨烯中的栅致自由载流子
研究的理论结果还表明，随着石墨烯中自由载流子浓度的增加，石墨烯中的适度掺杂可以显著地将激子结合能(Eb)降低数百毫伏
另外，邱等人
直接将理论与他们的实验结果相比较
通过这种方式，邱志战和他的同事们成功地利用静电选通控制底层石墨烯的掺杂来定制二维半导体中的QP带隙和激子结合能
结果表明，石墨烯衬底的屏蔽对库仑相互作用有深远的影响，导致电子带隙和激子结合能的宽可调性
该发现揭示了混合二维半导体或石墨烯系统中的多电子物理
这项工作将为控制激子效应和为各种技术应用精确调节二维半导体中的激子结合能铺平道路
单层ReSe2中Eb作为石墨烯衬底中载流子密度函数的计算
石墨烯中激子结合能和托马斯-费米屏蔽半径与电子浓度的函数关系
(一)载体依赖型电子束
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
