【引言】
近年來(lái)，維平二維（2D）材料由于其獨(dú)特的面量性能和良好的應(yīng)用前景而引起了研究人員的廣泛關(guān)注，其出現(xiàn)引發(fā)了對(duì)新型異質(zhì)結(jié)的阱超晶格研究。最近科研人員已經(jīng)獲得高質(zhì)量的位動(dòng)生二維多重異質(zhì)結(jié)及超晶格等功能化結(jié)構(gòu)，然而受限于目前的錯(cuò)驅(qū)長(zhǎng)材微納加工和生長(zhǎng)技術(shù)，所制備的料牛圖案化人工超結(jié)構(gòu)尺度仍然較大，構(gòu)筑寬度小于5納米的維平具有顯著量子特性的功能化二維超晶格結(jié)構(gòu)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。
【成果簡(jiǎn)介】
?近日，面量中國(guó)科學(xué)院大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院及中國(guó)科學(xué)院拓?fù)淞孔佑?jì)算卓越創(chuàng)新中心的阱超晶格周武研究員、張余洋副教授等與多個(gè)課題組合作，位動(dòng)生利用了2D平面?zhèn)认虍愘|(zhì)結(jié)中兩種半導(dǎo)體材料之間的錯(cuò)驅(qū)長(zhǎng)材界面失配位錯(cuò)驅(qū)動(dòng)二維量子阱的生長(zhǎng)，構(gòu)筑了半導(dǎo)體單層內(nèi)高質(zhì)量的料牛寬度小于2納米的量子阱以及量子阱超晶格。同時(shí)結(jié)合原子分辨的維平電鏡結(jié)構(gòu)表征和理論計(jì)算，揭示了此類(lèi)新型二維量子阱超晶格的面量生長(zhǎng)機(jī)制。該研究為制備高質(zhì)量二維超晶格結(jié)構(gòu)提供了新的阱超晶格思路。該研究發(fā)表于Science Advances，題為“Dislocation-driven growth of two-dimensional lateral quantum-well superlattices”。
?【圖文導(dǎo)讀】
圖1. 嵌入單層WSe2晶格內(nèi)的WS2量子阱結(jié)構(gòu)和應(yīng)變分析
（A）寬度為1.2nm的WS2量子阱的原子分辨率STEM-ADF圖像。黃色虛線突出顯示了WS2量子阱和WSe2晶格之間的共格界面。 六邊形強(qiáng)調(diào)格子的方向。
（B和C）與（A）中同區(qū)域的能譜成像分析分別顯示了WS2和WSe2的空間分布。
（D和E）為WS2量子阱的高分辨率STEM-ADF圖像以及相應(yīng)的原子結(jié)構(gòu)模型。
（F到H）整個(gè)65 nm長(zhǎng)的WS2量子阱的STEM-ADF以及量子阱周?chē)鄳?yīng)的應(yīng)變分布。
（I和J）為STEM-ADF圖像，顯示了（F）中WS2量子阱頂端的位錯(cuò)核的原子排列和相應(yīng)的原子模型。
圖2. 在WSe2/WS2平面?zhèn)认蚪缑嫣幍闹芷谛晕诲e(cuò)陣列的形成和WS2量子阱的位錯(cuò)驅(qū)動(dòng)生長(zhǎng)
（A）圖顯示（I）周期性位錯(cuò)陣列的形成，（II）WS2量子阱的位錯(cuò)驅(qū)動(dòng)生長(zhǎng)，和（III）WSe2/ WS2側(cè)向異質(zhì)結(jié)中2D量子阱超晶格的形成。
（B）未形成WS2量子阱的WSe2/ WS2側(cè)向界面的STEM-ADF圖像。外延界面由黃色虛線突出顯示。
（C）相應(yīng)的應(yīng)變分布，疊加在ADF圖像上，顯示在異質(zhì)界面處形成周期性位錯(cuò)陣列。
（D）WSe2/ WS2側(cè)向界面的STEM-ADF圖像與WS2量子阱的形成。 WS2量子阱顯示為具有相同寬度的暗條紋。
（E）對(duì)應(yīng)的應(yīng)變圖，疊加在ADF圖像上，顯示在每個(gè)WS2量子阱的頂端存在位錯(cuò)核。
圖3.WSe2中WS2量子阱的生長(zhǎng)機(jī)制
（A）由于晶格失配而在WS2/WSe2界面處的5|7位錯(cuò)的原子模型，
（B）位錯(cuò)通過(guò)插入W原子和S2對(duì)發(fā)送攀移進(jìn)入WSe2，
（C）用S取代位于5|7位錯(cuò)五角形處的Se原子，
（D）隨后在5|7位錯(cuò)旁以S取代了Se原子，產(chǎn)生了一個(gè)四單胞寬度的WS2納米種晶。
（E）不同水平的壓縮應(yīng)變下SSe取代的能壘。
（F）基于（B）中原子模型的鍵長(zhǎng)分析的應(yīng)變圖。綠色虛線表示W(wǎng)S2/WSe2界面。
（G）結(jié)構(gòu)模型顯示在重復(fù)插入-置換過(guò)程六次后四個(gè)單胞寬和六個(gè)單胞長(zhǎng)的WS2帶。
圖4. 生長(zhǎng)具有原子級(jí)銳利側(cè)向邊界的二維量子阱超晶格。
（A）用HSE06泛函計(jì)算的WSe2/ WS2超晶格的原子結(jié)構(gòu)模型和能帶排列。價(jià)帶頂（VBM）和導(dǎo)帶底（CBM）分別用黑線和紅線表示。 黃色為S，紫色為Se;
（B）低倍放大的STEM-ADF圖像，顯示了MoSe2單層中沿量子阱超晶格形成方向的長(zhǎng)達(dá)幾百納米的平行MoS2量子阱。
?【小結(jié)】
量子阱陣列在WSe2/WS2和MoSe2/MoS2側(cè)向異質(zhì)結(jié)中的成功生長(zhǎng)表明，這種位錯(cuò)驅(qū)動(dòng)的生長(zhǎng)機(jī)制應(yīng)該適用于更廣泛的2D單層與晶格失配組合，因?yàn)樗鼈兊慕Y(jié)構(gòu)具有相似性。因而“該方法很可能被廣泛推廣到其他過(guò)渡金屬硫族化合物中，為調(diào)控二維平面異質(zhì)結(jié)從而獲取新穎電子和光學(xué)特性提供了新的機(jī)遇。”
文獻(xiàn)鏈接： Dislocation-driven growth of two-dimensional lateral quantum-well superlattices (Science Advances 2018, DOI: 10.1126/sciadv.aap9096)
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本文由材料人計(jì)算材料組Annay供稿，材料牛整理編輯。
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