image: (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。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
垂直堆叠的过渡金属硫族化合物双层异质结的第二类型能带结构促使了空间间接激子的产生，即层间激子。层间的扭转角和晶格常数失配会在异质结中形成周期性的莫尔超晶格，进一步影响层间激子的光学带隙、选择定则等。然而，这些激子共振峰的辨认由于能量相似近而存在许多误判与争议。
最近，武汉大学物理科学与技术学院（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，以WS2/WSe2 异质结为例，结合光谱分析和第一性原理计算，揭示了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（图1b），符合所谓“层间激子”的特性。进一步的，实验上通过动量空间的偏振光谱分析表明该激子的辐射跃迁偶极矩主要是平行于原子层面内的（图1c），而且不依赖于堆叠角度。
理论上，基于以下四个方面确定1.36 eV 的跃迁是Γ-K的间接跃迁，并且该激子跃迁是局域在面内的：(1)能带分析和带边态初步分析出1.36 eV 的跃迁是Γ-K的间接跃迁；(2)全能谱的吸收、带隙随堆叠角度依赖规律和实验结果的对比；(3)激发态联合态密度在1.36 eV 的值是零；(4)该激子波函数分布可知（图2），参与复合跃迁中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在近红外区间（1.06 eV），与实验结果相吻合，更正了文献中的一些错误指认。
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宝贵的理论指导。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。
文章信息：
Identification of twist-angle-dependent excitons in WS2/WSe2 heterobilayers
https://doi.org/10.1093/nsr/nwab135
Journal
National Science Review