Moiré nell'eterobilayer MoS2/WS2. La cella unitaria del superreticolo moiré formata da un'eterostruttura ritorta MoS2/WS2 con angolo θ =3,48° (A) e θ =56,52° (B). Le configurazioni sovrapposte dei tre motivi locali, UN, B, e C, sono mostrati a destra. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abc5638
I superreticoli moiré che si trovano all'interno delle eterostrutture di van der Waals (vdW) possono intrappolare eccitoni intercalari di lunga durata per formare array ordinati di punti quantici, aprendo la strada ad applicazioni di informazione optoelettronica e quantistica senza precedenti. Gli eccitoni sono quasiparticelle elettricamente neutre che possono trasportare energia senza trasportare carica elettrica netta. Si formano quando un materiale assorbe un fotone di energia superiore al suo bandgap e il concetto può essere rappresentato come lo stato legato di un elettrone e una lacuna elettronica che sono attratti l'uno dall'altro da una forza elettrostatica di Coulomb. In un nuovo rapporto ora pubblicato su Progressi scientifici , Hongli Guo e un team di scienziati del dipartimento di fisica e astronomia della California State University, Northridge, NOI., ha eseguito simulazioni dei primi principi per far luce sugli eccitoni moiré in bisolfuro di molibdeno/disolfuro di tungsteno contorto 2 /WS 2 ) eterostrutture. Il team ha mostrato prove dirette di eccitoni moiré intercalare localizzati in eterostrutture vdW e ha mappato i potenziali moiré intercalare e intrastrato in base a gap energetici. Hanno notato bande di valenza quasi piatte nelle eterostrutture mentre esploravano come il campo verticale potrebbe essere sintonizzato per controllare la posizione, polarità, energia di emissione e forza di ibridazione degli eccitoni moiré. Gli scienziati hanno quindi previsto che i campi elettrici alternati potrebbero controllare i momenti di dipolo degli eccitoni moiré ibridati, sopprimendo la loro diffusione in reticoli moiré.
Progettazione di un'eterostruttura di van der Waal
In questo lavoro, Guo et al. ha utilizzato un metodo computazionale di nuova concezione per fornire prove dirette di eccitoni moiré intercalati localizzati in eterostrutture vdW e ha proposto la formazione di eccitoni moiré ibridi sotto campi elettrici alternati, per sopprimere la diffusione degli eccitoni all'interno dei reticoli moiré. Il metodo più interessante per progettare un'eterostruttura vdW consiste nell'introdurre un disallineamento del reticolo o un disallineamento di rotazione tra gli strati bidimensionali (2-D) per formare un superreticolo moiré con nuova lunghezza e nuove scale di energia per affascinanti fenomeni quantistici. Le eterostrutture di Van der Waal (vdW) formate in questo modo con pile verticali di cristalli 2-D forniscono una piattaforma senza precedenti per sviluppare materiali quantistici con proprietà fisiche esotiche come la superconduttività non convenzionale, effetto Hall quantistico frattale e condensazione di Bose-Einstein.
Dopo le prime previsioni teoriche, i ricercatori avevano riportato una serie di osservazioni sperimentali di eccitoni moiré in eterostrutture vdW di dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD). I TMD 2-D hanno mostrato importanti effetti eccitonici dovuti al confinamento quantistico e al ridotto screening dielettrico. Sebbene il lavoro di ricerca abbia portato a un'ondata di ricerche sperimentali e teoriche sugli eccitoni moiré nelle eterostrutture vdW, le prospettive dei primi principi sull'argomento rimangono scarse a causa delle sfide computazionali. Gli studi sui principi primi rimangono importanti poiché possono fornire una visione critica sul livello di dettaglio atomistico al di là della portata sperimentale e delle teorie fenomenologiche, pur rimanendo uno strumento indispensabile per esplorare la grande e sempre crescente famiglia di eterostrutture vdW.
Bande piatte in eterostrutture MoS2/WS2 twistate. (A) La struttura a banda a particella singola per l'eterostruttura MoS2/WS2 con =56,52°. Le bande CBM e VBM sono mostrate in rosso e blu, rispettivamente. (B) Viste dall'alto e di lato della densità di carica delle bande CBM e VBM per l'eterostruttura. La cella unitaria del reticolo moiré è indicata dal riquadro tratteggiato. (C) Struttura a bande per l'eterostruttura MoS2/WS2 con θ =3,48°. (D) Viste dall'alto e di lato della densità di carica delle bande CBM e VBM per l'eterostruttura. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abc5638 
Le celle unitarie di due superreticoli moiré possono essere formate torcendo un bisolfuro di molibdeno/disolfuro di tungsteno (MoS 2 /WS 2 ) doppio strato (gruppo di materiali dicalcogenuri di metalli di transizione), dove le celle unitarie mantengono una costante reticolare e un numero di atomi simili. Ci sono tre motivi locali in entrambi i superreticoli (etichettati A, B e C) che preservano la triplice simmetria rotazionale e giocano un ruolo cruciale nel determinare le proprietà dei reticoli moiré. Le strutture atomiche di questi motivi sono, però, diverso per i due superreticoli. Il team ha mappato l'ampiezza massima dei potenziali moiré, la proprietà più importante dei superreticoli moiré, e ha calcolato il bandgap energetico del MoS 2 /WS 2 doppio strato. Hanno usato la modulazione bandgap per comprendere i potenziali moiré e hanno notato che l'ampiezza dei potenziali moiré interstrato è molto maggiore dei potenziali moiré intrastrato, dove gli eccitoni moiré interstrato erano più localizzati rispetto agli eccitoni moiré intrastrato.
Eccitoni moiré localizzati nell'eterostruttura twistata MoS2/WS2 (θ =3,48°). (A) Densità di carica ed energia per l'eccitone a energia più bassa nell'eterostruttura MoS2/WS2 con =0° (pannello superiore, vista dall'alto; pannello inferiore, vista laterale). (da B a D) Densità di carica ed energia per i tre eccitoni moiré a energia più bassa nell'eterostruttura attorcigliata MoS2/WS2 con =3,48° (pannello superiore, vista dall'alto; pannello inferiore, vista laterale). La casella tratteggiata indica la cella unitaria del superreticolo moiré. I colori rosso e blu rappresentano la densità di carica dell'elettrone e della lacuna, rispettivamente. Tutti i valori di isosuperficie sono fissati a 0,0001 e/A3. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abc5638
Un primo approccio di principi
Convenzionalmente, i fisici usano il metodo dell'equazione di Bethe-Salpeter (BSE) basato sulla teoria delle perturbazioni a molti corpi. Però, il metodo è costoso per gli eccitoni moiré a causa del gran numero di atomi nella cella elementare. Per superare il problema, Guo et al. ha sviluppato un metodo alternativo dei primi principi per fornire una descrizione affidabile degli effetti eccitonici senza costi computazionali eccessivi. Hanno basato il metodo sulla teoria del funzionale della densità dipendente dal tempo (TDDFT) ed hanno esaminato gli eccitoni moiré nel MoS attorcigliato 2 /WS 2 eterostrutture con angoli diversi. All'aumentare dell'angolo di torsione, il potenziale moiré è diventato più superficiale e gli eccitoni sono diventati meno localizzati per fornire la prima prova diretta di eccitoni moiré localizzati nelle eterostrutture vdW dai primi principi. Il team ha successivamente determinato l'energia di legame degli eccitoni in una varietà di MoS 2 /WS 2 eterostrutture.
Struttura elettronica sintonizzabile sul campo elettrico nell'eterostruttura MoS2/WS2. (A) In alto:Immagine schematica dell'eterostruttura MoS2/WS2 sotto un campo elettrico perpendicolare ε. Il momento di dipolo dell'eccitone interstrato è indicato da P. In basso:Accordatura elettrica dell'allineamento della banda di tipo II dell'eterostruttura. Le frecce rosse e blu indicano le direzioni di spostamento del livello di energia. (B) La variazione della distanza intercalare h in corrispondenza di A, B, e punti C per l'eterostruttura MoS2/WS2 con =3,48°. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abc5638
Sintonizzazione elettrica delle posizioni degli eccitoni moiré
Gli scienziati hanno quindi rappresentato schematicamente una configurazione sperimentale che ha consentito il controllo elettrico delle proprietà eccitoniche. Mentre un campo elettrico positivo che punta dal disolfuro di tungsteno (WS 2 ) al bisolfuro di molibdeno (MoS 2 ) potrebbe aumentare l'energia di MoS 2 abbassando l'energia di WS 2 , gli effetti erano viceversa per un campo elettrico negativo. Quando si applica un campo positivo, anche l'elettrone e la lacuna degli eccitoni moiré hanno scambiato strati per formare un moiré interstrato con la polarità opposta. Per di più, un campo negativo potrebbe ridurre il gap energetico dell'eterostruttura e l'energia degli eccitoni interstrato. In questo modo, Guo et al. utilizzato il campo elettrico per sintonizzare e programmare la posizione, polarità, e l'energia di emissione degli eccitoni moiré per controllare i portatori di informazioni quantistiche su richiesta. Anche se gli eccitoni moiré sono localizzati, possono scavare attraverso i potenziali moiré e diffondersi su lunghe distanze, quindi anche la capacità di controllare la diffusione degli eccitoni potenziata o soppressa è attualmente di interesse.
Tuning moiré diffusione degli eccitoni dal campo elettrico. (A) Diagramma schematico che mostra le direzioni di dipolo di un eccitone moiré diffondente dal punto B al punto C in un superreticolo moiré. (B) Immagine schematica raffigurante la fluttuazione del momento dipolare di un eccitone moiré diffondente sotto un campo elettrico alternato. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abc5638
In questo modo, la grande famiglia di materiali bidimensionali ha presentato un'opportunità ingegneristica senza precedenti nei materiali quantistici, specificamente relativo alle eterostrutture 2-D di dicalcogenuro di metalli di transizione (TMD) con potenziali applicazioni come emettitori quantistici o laser ad alte prestazioni e twistronics. Comprensione, predire e controllare gli eccitoni moiré nelle eterostrutture vdW è di grande importanza scientifica, anche se molto impegnativo. Hongli Guo e colleghi hanno utilizzato simulazioni di principi primi per affrontare le sfide e offrire approfondimenti critici su scala atomica ed elettronica che finora sono rimasti sconosciuti. Hanno determinato la distribuzione delle densità di carica degli eccitoni nel bisolfuro di molibdeno/disolfuro di tungsteno ritorto (MoS 2 /WS 2 ) eterostrutture utilizzando calcoli dei principi primi per fornire prove dirette di eccitoni moiré localizzati nelle eterostrutture TMD. Il team ha anche mostrato come il campo verticale potrebbe essere sintonizzato per controllare la posizione, polarità, energia di emissione e forza di ibridazione degli eccitoni moiré. Il team prevede che i campi elettrici alternati potrebbero sopprimere la diffusione degli eccitoni moiré nei materiali 2-D.
© 2020 Scienza X Rete
