范德华异质结的“层间激子”都是“层间”激子吗？ ǀ NSR

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将两层不同的过渡金属硫族化合物垂直堆叠，可以形成“双层异质结”，其中的第二类型能带结构促使了空间间接激子，即“层间激子”的产生。然而这些激子的共振峰能量相似、难以辨认，因而存在许多误判与争议。一个基本的问题是，形成这些“层间激子”的电子和空穴是否是由不同层贡献的？

最近，武汉大学物理科学与技术学院的研究者（武可，钟红霞，袁声军教授，张顺平教授和徐红星院士等）在《国家科学评述》（National Science Review, NSR）发表研究论文。他们以WS₂/WSe₂异质结为例，结合光谱分析和第一性原理计算，发现异质双层中堆叠角度依赖的激子的波函数分布在单一原子层内，跃迁偶极矩也基本平行于原子面。

实验表明，WS₂/WSe₂异质结中的新出现的激子峰（~ 1.35 eV）对堆叠角度具有强烈的依赖特性（下图b），符合所谓“层间激子”的特性。进一步，研究者通过动量空间的偏振光谱分析，发现该激子的辐射跃迁偶极矩主要是平行于原子层面内的（下图c），而且不依赖于堆叠角度。

(a) WS₂/WSe₂异质结的光学照片；(b)异质结中低能新激子峰的峰位随堆叠角度变化的依赖关系；(c) 动量分辨的新激子峰的荧光成像。

研究者：

(1) 进行了能带分析和带边态初步分析，结果显示1.36 eV 的跃迁是Γ-K间接跃迁；

(2) 对比了全能谱的吸收、带隙对堆叠角度的依赖规律和实验结果；

(3) 确认激发态联合态密度在1.36 eV 的值是零；

(4) 对该激子的波函数分布进行了分析（见下图），发现参与复合跃迁的电子和空穴均来自于WS₂材料，而真正意义上的层间激子跃迁强度很低且位于近红外区间（1.06 eV）。这与实验结果相吻合，更正了文献中的一些错误指认。

(a) WS₂/WSe₂异质结能带结构；(b, c) K-K (b) 和Γ-K (c) 跃迁的电子、空穴分布；(d)异质结的吸收光谱和激发态联合态密度；(e) 1.36 eV激子的电子空穴在实空间的分布。

该工作为范德华异质结与光学结构的耦合提供了重要参考，为范德华异质结光电器件的设计提供了理论指导。参与该工作的还包括华中科技大学钱立华研究员，郑州大学史志峰教授以及武汉大学的张晨栋教授。此项工作得到国家自然科学基金委、国家重点研发计划和中国科学院先导专项等项目的支持。

点击“阅读原文”查看论文原文。

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