近日，中科院半導體所超晶格國家重點實驗室博士生康俊，在李京波研究員、李樹深院士和夏建白院士的研究團隊中，與美國勞倫斯伯克利國家實驗室(LBNL)汪林望博士研究組合作，在二維半導體異質(zhì)結的基礎研究中取得新進展。相關成果發(fā)表在9月30日美國化學學會主辦的《納米快報》(Nano Letters)上。
半導體異質(zhì)結是由不同半導體材料接觸形成的結構。由于構成異質(zhì)結的兩種半導體材料擁有不同的禁帶寬度、電子親和能、介電常數(shù)、吸收系數(shù)等物理參數(shù)，異質(zhì)結將表現(xiàn)出許多不同于單一半導體材料的性質(zhì)。在傳統(tǒng)半導體領域，以半導體異質(zhì)結為核心制作的電子器件，如光電探測器、發(fā)光二極管、太陽能電池、激光器等，往往擁有比單一半導體材料制作的同類器件更加優(yōu)越的性能。
近年來，以二維二硫化鉬(MoS2)、二硒化鉬(MoSe2)為代表的新型二維半導體材料迅速成為材料科學領域的研究前沿。這類半導體的厚度僅為數(shù)個原子，并且有望成為新一代電子器件的二維平臺。將不同的二維半導體層堆積起來便形成了二維半導體異質(zhì)結，而這類異質(zhì)結中的新奇物理現(xiàn)象也成為了目前國際納米科學研究的一個焦點。
在這種背景下，半導體所與LBNL的研究小組應用第一性原理計算，研究了二維MoS2/MoSe2異質(zhì)結的結構和電子性質(zhì)。二維MoS2和MoSe2單層存在4.4%的晶格失配。通過對應變能和結合能的計算發(fā)現(xiàn)，它們之間范德瓦爾斯結合作用的強度不足以消除這一失配形成晶格匹配的異質(zhì)結，而是形成一種被稱為莫氏圖樣(Moiré Pattern)的結構。
在莫氏圖樣中，不同區(qū)域的MoS2和MoSe2的堆積方式也不同，進而導致不同區(qū)域的層間耦合作用及靜電勢不同，這將會對異質(zhì)結的電子結構產(chǎn)生顯著影響。為了進一步探索莫氏圖樣對異質(zhì)結電子結構的調(diào)控作用，課題組利用一種新型的線性標度算法對一個包含6630個原子的MoS2/MoSe2莫氏圖樣超胞的帶邊波函數(shù)進行了計算。結果顯示，價帶頂?shù)目昭úê瘮?shù)被限制在層間耦合較強的區(qū)域，而導帶底的電子波函數(shù)則比較擴展，僅表現(xiàn)出弱局域性。研究結果預示莫氏圖樣的形成以及由此導致的波函數(shù)的局域化將是二維半導體異質(zhì)結的普遍性質(zhì)。這些新的發(fā)現(xiàn)將為二維半導體異質(zhì)結器件的制備提供理論指導。
該工作得到了國家杰出青年基金和科技部“973”項目的支持。(半導體研究所)
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