研究亮點
由原子級厚度的半導體過渡金屬二滷化碳（TMD）構成的範德華異質結構能夠使電子和空穴在不同的層中形成激子，從而產生具有大結合能和長壽命的層間激子。
今日，哈佛大學Philip Kim（通訊作者）團隊針對原子薄層異質結構的題為「Electrical control of interlayer exciton dynamics in atomically thin heterostructures」的研究工作發表在國際頂刊Science上。該項工作通過採用單層TMD的異質結構，實現了長壽命中性和帶電層間激子的光和電的產生。結果證明中性層間激子可以在整個樣品中傳播，並且它們的傳播可以由激發功率和柵電極控制。 該團隊還使用帶有歐姆接觸的設備來促進帶電層間激子的漂移運動。激子的發電和控制為實現具有完全電可調性的玻色複合粒子的量子操縱提供了途徑。
研究背景
長壽命激子可潛在地用於實現相干量子多體系統或用作量子信息載體。在常規半導體中，可以通過構造雙量子阱（DQW）異質結構來增加激子壽命，在異質結構中，空間分離的電子和空穴在整個量子阱中形成層間激子（IEs），也可以通過將過渡金屬二滷化物（TMD）的兩個單原子晶胞堆疊到範德華（vdW）異質結構中來形成牢固結合的IE。TMD異質結構（例如MoSe2/WSe2，MoS2/WS2和MoS2/WSe2）已顯示出超快的電荷轉移，具有約150 meV的大結合能的IE以及長距離擴散。而且，由於緊密結合以及小的激子玻爾半徑可能使這些複合玻色子發生量子簡併，與例如冷原子的常規玻色-愛因斯坦縮合物相比，在實質上升高的溫度下可能導致激子凝聚。
圖文解讀
使用六方氮化硼（h-BN）封裝的MoSe2和WSe2的vdW異質結構來製造單獨的電接觸光電器件。為各個原子層提供的透光電子門和歐姆電觸點使得他們能夠完全控制DQW的每個TMD中的載流子密度，同時保持充分的光學性質。
圖1.層間激子的電場和載流子密度控制
圖2.中性夾層激子的空間控制
圖3.帶電層間激子的空間控制
圖4. 層間激子的發電
總結與展望
長壽命夾層激子的發電實際上代表了一種新型電動近紅外光源，其能量可調範圍超過數百毫電子伏特，並且可以控制發射。在沒有光激發的情況下實現高密度IE可以為實現固態器件中的量子凝聚提供一種途徑。強耦合到自旋的大谷極化也可能用作基於電驅動CIE的光電設備。這樣的設備中的自旋自由度可以潛在地用於傳統以及量子方法的信息處理。
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