Adv. Sci.?：透明載流子界面的范德華晶體的多層橫向異質結構

【引言】

二維晶體的出現為材料集成提供了特殊的機會。提供電子雜化、層間激子以及扭曲效應的垂直范德瓦爾斯堆疊通常是通過微機械堆疊剝離的薄片組裝而成。橫向異質結構，在共價線界面實現載流子操縱，只能通過自下而上的合成來實現。不同的二維晶體，包括石墨烯-hBN和一些過渡金屬二硫化物，已經開發出了橫向集成的生長工藝。迄今為止，橫向異質結構的概念僅限于單層，可以擴展到幾層甚至多層范德瓦爾斯晶體，例如，將層內載流子操縱與增強的光學厚度和新興光子特性相結合。

【成果簡介】

近日，在內布拉斯加大學林肯分校Peter Sutter教授團隊等人帶領下，展示了范德瓦爾斯半導體SnS和GeS的多層異質結構，其橫向界面橫跨數百個單獨的層。結構和化學成像確定了{110}界面垂直于（001）層平面，在整個厚度的10?nm范圍內橫向定位和清晰。陰極發光光譜為電子-空穴對在橫向界面上的轉移提供了證據，表明共價拼接具有高電子質量和低密度的復合中心。該成果以題為“Multilayer Lateral Heterostructures of Van Der Waals Crystals with Sharp, Carrier–Transparent Interfaces”發表在了Adv. Sci.?上。

【圖文導讀】

圖1 自下而上合成多層范德華晶體橫向異質結構

a）單層MoSe₂和WSe₂之間的橫向異質結構（頂部）和多層橫向異質結構（底部），其中許多范德瓦爾斯層中的每一層都包含一個界面，這里是正交GeS和SnS之間的界面。

b）在云母基底上生長的SnS種子薄片的光學顯微鏡。放大圖像中的比例尺：5 μm。

c）b所示的樣品光學圖像，在GeS前體420℃溫度下，GeS生長，形成GeS-SnS異質結構。放大圖像顯示了厚{110}多面異質結構的SnS核心和GeS邊緣之間的特征光學對比度。

d）多層GeS-SnS異質結構的典型集合。

e）d所示的GeS-SnS異質結構進行拉曼光譜掃描。

f）在異質結構中心獲得的拉曼光譜（e中的虛線“f”），顯示SnS振動模式。

g）外圍的拉曼光譜（e中的虛線“g”），顯示GeS振動模式。

圖2 多層GeS-SnS異質結構的結構與形貌

a,b）GeS-SnS異質結構的a）HAADF-STEM，b）特征TEM圖像（GeS前驅體溫度：420℃）。

c）在多層橫向界面的GeS側獲得的納米光束電子衍射圖樣（e中的綠色點）。

d）來自異質結構中心區域的納米束電子衍射圖案（e中的紅色方塊）。

e）界面的更高放大倍數的STEM圖像，顯示由于大的a軸失配，GeS晶粒和垂直晶界沿短 (010) 小平面部分帶有小平面凹槽。

圖3 多層GeS-SnS異質結構橫向界面的納米束衍射分析

a）具有代表性的多層GeS-SnS異質結構的平視HAADF-STEM圖像，GeS蓋層在SnS中心的厚度很小。

b）在橫向界面的SnS側獲得的納米光束衍射圖案（面板a中的 "b "位置）。

c）在橫向界面的GeS側獲得的納米光束衍射圖案（面板a中的 "c "位置）。

d）譜線輪廓之間的相互間距區域中心（b，c中的白色圓圈）和（130）衍射斑點。

圖4 多層GeS-SnS異質結構的化學成像

a) 多層橫向GeS-SnS異質結構的HAADF-STEM圖像。

b) 顯示Sn（紅色）、Ge（綠色）、S（藍色）分布的EDS圖，以及異質結構的疊加圖。

c-f）界面區高倍EDS化學圖（a中的正方形）。

g）橫向界面（IF，a中的虛線）的EDS線輪廓，顯示陽離子（Sn（紅色）；Ge（綠色））在界面區域的分布。

圖5?通過價態EELS進行納米級的吸收測量

a）靠近GeS外圍和SnS核心界面的多層異質結構的HAADF-STEM圖像。

b）在SnS和GeS的橫向界面的單色STEM-EELS光譜（a中的圓圈）。

c）單色STEM-EELS光譜線掃描（空間步長Δ=20納米），包括在多層SnS和GeS之間的橫向界面上測量的全部EEL光譜（在a中的十字線點）。

圖6?利用納米STEM-CL發光光譜表征橫向界面電荷轉移

a）GeS-SnS多層異質結構的HAADF-STEM圖像。

b）相應的全色STEM-CL圖（波長范圍：400nm≤λ≤1000nm）。

c）均勻多層GeS薄片的高光譜STEM-CL譜線掃描。

d）多層SnS-GeS異質結構的高光譜STEM-CL譜線（沿a中的箭頭測量）。

e）異質結構外圍GeS區獲得的CL譜。

f) 異質結構外圍GeS區域的局部電子束激發示意圖。

g）在異質結構的中心SnS區域獲得的CL光譜。

h）異質結構SnS部分的電子束激發：價帶的步驟阻止了SnS空穴向GeS的轉移，即發射光僅源自SnS中的輻射復合。

【小結】

綜上所述，團隊已經證明了范德華晶體的多層橫向異質結構，這些結構的界面在多個單獨的層上具有突變和空間協調的特征，是由SnS種子的蒸汽傳輸生長和GeS的邊緣附著所合成的。此外，單硫屬化合物的高表面活性促進了薄的GeS蓋層的生長，蓋層由范德瓦爾斯堆疊在SnS種子上。雖然不尋常的能帶排列妨礙了在SnS - GeS界面上的電荷分離，但共價縫合的多層橫向界面對于完整的電子-空穴對（激子）在各個層內從GeS到SnS的轉移是高度透明的，即不跨越任何范德瓦爾斯間隙。這里展示了對于特定材料系統，多層范德華晶體橫向異質結構的概念可以擴展到其他層狀材料，包括廣泛的過渡金屬二硫屬化物、黑磷等，在利用多層橫向界面提供的功能方面，未來可能的方向包括調整帶狀偏移以實現高效的光伏電荷分離，實現橫向界面激子，以及研究跨界面和沿界面的偏振子傳輸等等。

文獻鏈接：Multilayer Lateral Heterostructures of Van Der Waals Crystals with Sharp, Carrier–Transparent Interfaces（Adv. Sci.?，2021，DOI：10.1002/advs.202103830）

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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