導(dǎo)體所等在二維半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)研究中取得新進(jìn)展

近日，中科院半導(dǎo)體所超晶格國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)中，與美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LBNL)汪林望博士研究組合作，在二維半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的基礎(chǔ)研究中取得新進(jìn)展。相關(guān)成果發(fā)表在9月30日美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)主辦的《納米快報(bào)》(Nano Letters)上。

半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)是由不同半導(dǎo)體材料接觸形成的結(jié)構(gòu)。由于構(gòu)成異質(zhì)結(jié)的兩種半導(dǎo)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(jié)將表現(xiàn)出許多不同于單一半導(dǎo)體材料的性質(zhì)。在傳統(tǒng)半導(dǎo)體領(lǐng)域，以半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)為核心制作的電子器件，如光電探測(cè)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(dǎo)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(dǎo)體材料迅速成為材料科學(xué)領(lǐng)域的研究前沿。這類半導(dǎo)體的厚度僅為數(shù)個(gè)原子，并且有望成為新一代電子器件的二維平臺(tái)。將不同的二維半導(dǎo)體層堆積起來便形成了二維半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，而這類異質(zhì)結(jié)中的新奇物理現(xiàn)象也成為了目前國(guó)際納米科學(xué)研究的一個(gè)焦點(diǎn)。

在這種背景下，半導(dǎo)體所與LBNL的研究小組應(yīng)用第一性原理計(jì)算，研究了二維MoS2/MoSe2異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)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(duì)應(yīng)變能和結(jié)合能的計(jì)算發(fā)現(xiàn)，它們之間范德瓦爾斯結(jié)合作用的強(qiáng)度不足以消除這一失配形成晶格匹配的異質(zhì)結(jié)，而是形成一種被稱為莫氏圖樣(Moiré Pattern)的結(jié)構(gòu)。

在莫氏圖樣中，不同區(qū)域的MoS2和MoSe2的堆積方式也不同，進(jìn)而導(dǎo)致不同區(qū)域的層間耦合作用及靜電勢(shì)不同，這將會(huì)對(duì)異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響。為了進(jìn)一步探索莫氏圖樣對(duì)異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控作用，課題組利用一種新型的線性標(biāo)度算法對(duì)一個(gè)包含6630個(gè)原子的MoS2/MoSe2莫氏圖樣超胞的帶邊波函數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果顯示，價(jià)帶頂?shù)目昭úê瘮?shù)被限制在層間耦合較強(qiáng)的區(qū)域，而導(dǎo)帶底的電子波函數(shù)則比較擴(kuò)展，僅表現(xiàn)出弱局域性。研究結(jié)果預(yù)示莫氏圖樣的形成以及由此導(dǎo)致的波函數(shù)的局域化將是二維半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的普遍性質(zhì)。這些新的發(fā)現(xiàn)將為二維半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)器件的制備提供理論指導(dǎo)。

該工作得到了國(guó)家杰出青年基金和科技部“973”項(xiàng)目的支持。(半導(dǎo)體研究所)