六方氮化硼，Nature Materials！

学术 2024-11-07 20:00 浙江

▲第一作者：Dong Seob Kim

通讯作者：Yoichi Miyahara、Xiaoqin Li

通讯单位：美国德克萨斯州立大学、美国德克萨斯大学奥斯汀分校

论文doi：

https://doi.org/10.1038/s41563-023-01637-7

背景介绍

Moiré超晶格具有丰富多样的相关电子相。然而，莫尔势是由层间耦合固定的，它依赖于载流子和能谷的性质。相比之下，人们预测扭曲的六方氮化硼(hBN)层可以施加一个周期性的静电势，能够对相邻功能层的性质进行改造。

02

本文亮点

1.本工作证明了这种电势可由一种源于界面电荷再分布的电极化理论描述，并通过其对超晶胞尺寸和与扭曲界面距离的依赖性得到验证。

2.本工作表明，可以通过控制两个界面之间的扭转角来实现潜在深度和轮廓的可控性。

3.利用这种方法，本工作进一步证明了扭曲hBN衬底的静电势如何阻碍半导体单层中的激子扩散，为利用扭曲hBN衬底的表面电势来设计相邻功能层的性质提供了机会。

图文解析

▲图1. 来自t-hBN衬底的静电云纹电势改变了相邻功能层的性质

要点：

1、本工作首先从概念上描述了t-hBN双层膜的净极化和静电势的形成，如图1a所示。常用的h BN晶体以AA '序列自然堆叠，表明B原子与相邻层的N原子垂直排列。

2、在另一种能量有利的堆垛构型中，即AB或BA(Bernal)，垂直电极化出现，因为在这些高对称点上，反转和面外对称性都被解除，而不像AA'堆垛。电极化(用黑色箭头指示)源于埋入界面处的电荷重新分布Δρ (图1a)。

3、由t-hBN衬底产生的莫尔势可以调制相邻薄功能层的电子能带，如图1b所示。作为例子，本工作计算了一个半导体MoSe₂单层放置在两个具有平行界面的hBN单层上。在计算中假设MoSe₂和hBN层的晶轴取向与它们的晶格常数的4：3的比例一致。

▲图2. t-hBN双层膜表面莫尔势的超晶胞尺寸依赖性

要点：

1、代表性的KPFM图像如图2a所示。观察到超晶胞尺寸的逐渐变化，可能源于应变诱导的扭转角变化。超晶胞的尺寸范围为 ~500到 ~50 nm。利用关系式b=a/δ估算出扭转角在0.03°~0.3°之间，其中b为超晶胞尺寸，a为hBN晶格常数，δ为扭转角。KPFM图像中的颜色对比度对应于表面电位。

2、本工作在图2中详细分析了表面电势对超晶胞尺寸的依赖关系。本工作预期测量的电势由前导的傅里叶谐波展开主导，其中最小值和最大值出现在AB和BA点。第一性原理计算的结果和支持这一预期的势能剖面的插图如图2b所示。

3、将拟合提取出的位能深度ΔV_S=V_S_,_max-V_S_,_min绘制成图2e中超晶胞尺寸的函数。沿横轴和纵轴方向的误差棒分别表示超晶胞尺寸和表面电势的不确定性。随着超晶胞尺寸的增大，电势逐渐增大并趋于饱和。

▲图3. 双莫尔超晶格和多层膜中增强的势阱深度和多级极化态

要点：

1、在对t-hBN双层结构有了很好的理解之后，本工作进一步通过组装由3层t-hBN组成的双叠栅结构来设计叠栅势。在图3a所示的例子中，组装了3层h BN，每层厚度为 ~20 nm，扭转角为 ~0.02°。从图3a中的蓝线和红线所示的区域，图3b中比较了单莫尔区和双莫尔区的表面电势。

2、当分析 ~800 nm的两个超胞时，图3b中双叠栅结构中的电势调制是单叠栅超晶格的近2倍。在双莫尔区，由于来自每个界面的静电势建设性地相加，因此电势调制深达V_double=390 meV(图3b)。

3、取横跨两个大的超晶胞边界的电势调制的线段，本工作观察到 ~150 mV的阶梯状增加叠加在振幅为 ~120 mV的正弦调制上(图3d)。实线是正弦拟合函数，虚线是眼睛的导向。这种模式对应于这种双莫尔结构中两种极化态的形成。最近在过渡金属二硫化物(TMD)多层膜中报道了来自多个界面的累积极化，这与本工作的研究结果一致。

▲图4. 来自t-hBN衬底的叠栅势阻碍了单层MoSe₂中的激子扩散

要点：

1、在这里，本工作证明了MoSe₂单层中层内激子的扩散受到t-hBN衬底施加的莫尔势的阻碍。层状结构及其光学显微镜照片如图4a、b所示。本工作进行了空间分辨的泵浦-探测实验，比较了具有单个hBN层或具有 ~700 nm超胞的t-hBN双层样品的两个区域中的激子扩散。

2、图4c-e给出了MoSe₂/单个hBN区域激子扩散的空间图像。每幅图像的线切割如图4f所示。随着泵浦光和探测光之间延迟时间的增加，可以清楚地观察到激子在激发激光光斑之外的扩散。相比之下，在MoSe₂/t-hBN区域没有观察到激子扩散(图4g-j)。

3、hBN与功能层之间的异质界面不应改变功能层的能带，以hBN作为基底和覆盖层的常见做法证明了这一点。因此，本工作提出了一种很有前途的方法来拓宽莫尔工程，以周期性调制广泛的电子和光子功能层的性质。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-023-01637-7

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