un motif moiré dans une hétérobicouche MoSe2/WSe2 de type R. Les trois régions mises en évidence (A, B, et sites C) correspondent aux configurations atomiques locales à symétrie de rotation triple. b Les vues de côté et de dessus des trois registres atomiques locaux de type R (A, B, et sites C) et les règles de sélection optique correspondantes pour l'exciton intercouche dans ces registres atomiques. c Potentiel de moiré de la transition exciton intercouche avec un minimum local au site A. d Règles de sélection optique pour les excitons intercouches de la vallée K. e Spectres PL de plusieurs excitons intercalaires moirés dans les hétérobicouches MoSe2/WSe2 avec des angles de torsion de 1° (en bas) et 2° (en haut). Chaque spectre est muni de quatre (1°) ou cinq (2°) fonctions gaussiennes. f L'énergie centrale de chaque résonance d'exciton intercouche moiré à différentes positions spatiales à travers chaque échantillon. g Spectre PL à polarisation circulaire de l'échantillon 1° sous excitation σ+ (en haut). Le degré de polarisation circulaire par rapport à la longueur d'onde d'émission est indiqué en bas, démontrant les multiples excitons intercouches moirés avec une émission polarisée de manière alternée et circulaire croisée. h-j PL dépendant du champ magnétique à partir d'excitons intercalaires piégés par moiré dans des hétérobicouches MoSe2/WSe2 avec des angles de torsion de 57° (h), 20° (i) et 2° (j). En haut :spectres PL résolus en polarisation circulaire avec une largeur de raie étroite (100 μeV) à 3 T. En bas :intensité PL totale en fonction du champ magnétique, affichant un décalage Zeeman linéaire des + et σ? composants polarisés. k Spectre d'absorption de l'hétérobicouche MoSe2/WS2 en fonction de l'angle de torsion. Les résonances des excitons A et B du MoSe2 (XA et XB) sont indiquées pour les grands angles de torsion où les effets d'hybridation deviennent négligeables. Les trois résonances étiquetées hX1, 2, 3 apparaissant à θ ? 0° correspond aux excitons hybridés au voisinage de XA. Crédit :Ying Jiang, Shula Chen, Weihao Zheng, Biyuan Zheng et Anlian Pan
Les excitons intercouches dans les hétérostructures des dichalcogénures de métaux de transition (TMD) van der Waals (vdW) présentent une physique fascinante et sont très prometteurs pour le développement de dispositifs excitoniques. Des scientifiques en Chine présentent un aperçu systématique et complet de la formation d'excitons intercouches, relaxation, transport, et applications potentielles des hétérostructures TMDs vdW, afin de fournir des conseils précieux aux nouveaux chercheurs dans ce domaine ainsi que de présenter les problèmes les plus importants présents dans le domaine pour les futures études approfondies.
Les hétérostructures TMD vdW possèdent généralement un alignement de bande de type II qui facilite la formation d'excitons intercouches entre les monocouches constitutives. La manipulation des excitons intercouches dans les hétérostructures TMD vdW est très prometteuse pour le développement de circuits intégrés excitoniques qui servent de contrepartie aux circuits intégrés électroniques, qui permet aux photons et aux excitons de se transformer les uns avec les autres et relie ainsi la communication optique et le traitement du signal au niveau du circuit intégré. Par conséquent, de nombreuses recherches ont été menées afin d'avoir un aperçu approfondi des propriétés physiques des excitons intercalaires, y compris la révélation de leur formation ultrarapide, longues durées de vie de recombinaison de population, et la dynamique intrigante de la vallée de spin. Ces propriétés exceptionnelles assurent aux excitons intercouches de bonnes caractéristiques de transport et peuvent ouvrir la voie à leurs applications potentielles dans des dispositifs excitoniques efficaces. Maintenant, un aperçu systématique et complet de cette physique fascinante ainsi que des applications passionnantes des excitons intercouches dans les hétérostructures vdW des TMD fait toujours défaut et est hautement souhaitable pour la communauté scientifique.
Dans un nouvel article de synthèse publié dans Science de la lumière et applications , une équipe de scientifiques, dirigé par le professeur Anlian Pan du Key Laboratory for Micro-Nano Physics and Technology de la province du Hunan, École de physique et d'électronique, et Collège des sciences et de l'ingénierie des matériaux, Université du Hunan, Chine, et ses collègues ont donné une description complète et une discussion de la formation d'excitons intercouches, relaxation, transport, et les applications potentielles dans les dispositifs optoélectroniques excitoniques, basé sur les hétérostructures TMDs vdW. Une perspective d'opportunités futures pour les excitons intercouches dans les hétérostructures à base de TMD a également été présentée dans cette revue.
a Image optique de deux hétérobicouches WS2/WSe2 cultivées par CVD avec des angles de torsion de 0 et 60° sur la même sous-couche WS2. b Image de microscopie électronique à transmission à balayage en champ sombre annulaire haute résolution de l'hétérobicouche à 60°. Le contour en losange blanc montre le super-réseau moiré avec une périodicité d'environ 7,6 µnm. c Illustration schématique de l'hétérobicouche WS2/WSe2 avec un alignement de bandes de type II pour faciliter la formation d'excitons intercouches. d Représentation schématique d'une structure de bande électronique typique d'une hétérobicouche WS2/WSe2 dans une maille élémentaire primitive (contrainte). Les quatre transitions de plus basse énergie sont indiquées par des flèches (les transitions de vallée K-K sont indiquées par les flèches verticales 1 et 2, et les transitions de vallée K-Q sont indiquées par les flèches verticales 3 et 4). Les transitions K-K dans les monocouches individuelles WS2 et WSe2 sont marquées par les flèches verticales WS2 et WSe2, respectivement. e Potentiels de moiré approximatifs pour les angles de torsion de 0° (gauche) et 60° (droite) tracés le long de la diagonale principale des supercellules moirées (lignes noires en f). F, g Illustrations des potentiels de moiré 2D K-K dans les graphiques 3D et les projections 2D pour piéger les excitons intercouches (sphères rouges et noires) dans les minima locaux pour les hétérobicouches 0° (f) et 60° (g). h Distances quadratiques moyennes dépendant du temps (σt2-σ02) parcourues par les excitons intercouches dans les hétérobicouches 0° et 60° ainsi que par les excitons intracouches dans les monocouches WS2 et WSe2 (1L-WS2, 1L-WSe2). i Transport d'excitons intercouches dépendant de la densité d'excitons à température ambiante pour l'hétérobicouche à 60°. j Transport d'excitons intercouches dépendant de la température pour l'hétérobicouche à 60°. Crédit :Ying Jiang, Shula Chen, Weihao Zheng, Biyuan Zheng et Anlian Pan
Spécifiquement, le contenu de cette revue comprend quatre sections. La première section traitait de l'alignement des bandes, transfert de charge ultrarapide, et la formation d'excitons intercouches ainsi que ses propriétés fondamentales dans les hétérostructures TMD vdW. Excitons intercalaires moirés, en tant que nouveau point névralgique de la recherche, ont également été détaillés dans cette section.
La deuxième section a discuté des processus de relaxation des excitons intercouches, y compris la dynamique de recombinaison des populations, le processus de diffusion par intervalles, et la dynamique polarisée en vallée dans les hétérostructures TMD vdW. Les durées de vie de recombinaison des excitons intercouches dans divers systèmes hétérostructuraux TMD vdW ont été résumées, et le rôle du super-réseau moiré sur les durées de vie des excitons intercouches a également été discuté dans cette section.
La troisième section a passé en revue les comportements de transport des excitons intercouches dans les hétérostructures TMD vdW, y compris la diffusion intercouche d'excitons sans champ électrique externe, le transport d'excitons intercouches (à polarisation de vallée) avec champ électrique externe, et la manipulation du transport d'excitons intercouches sous divers paysages potentiels tels que des puits ou des barrières potentiels. De plus, les influences du potentiel de moiré et des reconstructions atomiques sur le transport des excitons intercouches ont également été détaillées dans cette section. Ces travaux connexes offrent une nouvelle façon de contrôler le comportement de transport des excitons dans les dispositifs excitoniques potentiels.
Après une description détaillée de la formation des excitons intercalaires, propriétés de relaxation et de transport dans les hétérostructures TMDs vdW, la section finale de cette revue a donné une brève introduction des applications potentielles des excitons intercouches dans divers dispositifs excitoniques tels que les commutateurs excitoniques, laser, et photodétecteurs. La lumière quantique basée sur des excitons intercalaires piégés par moiré a également été discutée ici. Néanmoins, la recherche sur les dispositifs excitoniques basés sur les excitons intercouches dans les hétérostructures vdW des TMD n'en est qu'à ses débuts. L'amélioration des performances des dispositifs excitoniques déjà développés pour des applications pratiques et l'exploration de dispositifs excitoniques plus fonctionnels tels que les guides d'ondes et les modulateurs sont attendus dans d'autres travaux. De plus, l'intégration de dispositifs excitoniques individuels tels que des sources lumineuses, commutateurs, modulateurs, et des détecteurs sur une seule puce est très probable et hautement souhaitable à l'avenir pour réaliser l'optoélectronique intégrée sur puce basée sur des hétérostructures vdW bidimensionnelles.
