近日，新加坡南洋理工大學高煒博教授與中國科學院半導體研究所半導體超晶格國家重點實驗室張俊研究員合作，利用施主-受主對(DAP)模型解釋了二維MoS₂/WSe₂莫爾異質結中密集且尖銳的局域層間激子(IX)發射現象，并建立了DAP IX的動力學模型，很好地解釋了層間激子壽命與發射能量的單調依賴關系。2023年9月18日，相關研究成果以“MoS₂/WSe₂莫爾異質結中的層間施主-受主對激子”(Interlayer donor-acceptor pair excitons in MoS₂/WSe₂ moiré heterobilayer)為題在線發表于《自然·通訊》(Nature Communications)(https://doi.org/10.1038/s41467-023-41330-6)。張俊研究員和高煒博教授為論文的共同通訊作者，新加坡南洋理工大學Hongbing Cai博士為論文第一作者，半導體所來嘉敏博士為論文第四作者。 

DAP躍遷起源于電離施主與受主之間的庫倫相互作用。基于DAP躍遷模型，發射光子的能量可以表示為：

其中E_A和E_B分別為缺陷能級的能量，R_m為第m 近鄰的施主與受主之間的距離，由晶體結構和晶格常數決定，表示施主與受主之間的庫倫相互作用。分立的R_m值導致了光譜中觀察到的一系列尖峰，隨著R_m增大，尖峰之間的間距減小，變得不可分辨，形成一個寬峰。2022年，張俊研究組與高煒博教授和澳大利亞悉尼科技大學Igor Aharonovich教授合作，提出并通過實驗證明了hBN中寬譜密集的單光子發射的DAP躍遷機制，為設計基于hBN的量子光源和量子器件提供了基礎。相關研究成果以“Donor-Acceptor Pair Quantum Emitters in Hexagonal Boron Nitride”發表在Nano Letters上(22, 1331–1337 (2022)，https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c04647)。在最近的工作中，研究團隊將DAP模型推廣到二維MoS₂/WSe₂莫爾異質結中，很好地解釋了密集且尖銳的局域層間激子(IX)發射現象，并建立了DAP IX的動力學模型，揭示了層間激子壽命與發射能量的單調依賴關系。 

二維過渡金屬硫族化物(TMDs)異質結是研究強相關電子現象和量子光電子學應用的理想平臺。由于晶格常數的差異或特定的轉角堆垛形成的莫爾超晶格不僅可以增強電子-電子相互作用，還會產生局域的層間激子(IX)，即電子和空穴分別位于不同層中。在TMDs莫爾異質結的熒光譜中的一個有趣現象是可以觀察到許多尖銳且密集的IX發射峰。盡管磁光光譜的實驗結果顯示其中某些峰與帶邊激子態相關，但無法解釋如此密集的(高達50條以上)的發射峰。探究IX的發射機制對于相關的相操控以及單光子發射工程是非常緊迫的關鍵問題。 

研究團隊首先提取出IX發射峰的峰位，并與DAP模型預測的峰位進行比較。如圖1所示，實驗結果中75%以上的峰都可以與理論計算的峰位匹配得很好，說明了DAP模型與實驗結果的一致性。進一步，研究團隊通過能量和時間分辨的熒光測試證實了DAP模型的合理性。時間分辨的熒光結果可以由雙指數衰減函數擬合，說明至少有兩種不同的態參與發光，即DAP IX態和帶邊的IX態。提取出的衰減速率k₁和k₂在特定能量下達到最大值，這種行為可以由DAP IX的動力學以及DAP IX與帶邊IX的耦合來解釋。對于的情況，衰減速率可以近似表示為，，其中式中kDAP為DAP IX總衰減速率，knr為DAP IX的非輻射衰減速率，kr0為DAP IX最大輻射衰減速率，RB為施主(受體)玻爾半徑，kIX為帶邊IX衰減速率，D為帶邊IX與DAP IX之間的耦合率。考慮到DAP和帶邊IX之間的耦合，RB和D的值取決于這兩個IX態之間的能量差。當兩者能量相同時，耦合率最大。與帶邊激子的耦合會增加DAP IX的波爾半徑，當峰值能量等于帶邊IX能量時，RB和D都達到最大值，由此可以得到k₁和k₂的最大值。如圖2所示，該模型與實驗結果非常吻合，進一步證實了DAP IX機制。此外，在功率依賴的時間分辨測量中，衰減速率表現出先減小隨后增加的趨勢，這也可以由DAP IX和帶邊IX之間的退耦合解釋：在小功率下DAP IX與帶邊IX共振，隨著功率增加二者能量差增大，導致兩種激子態退耦合，因此波爾半徑減小，k₁減小；隨著功率繼續增加，DAP IX和帶邊IX退耦合效應不再顯著，功率引起的非輻射衰減速率增加占主導作用。 

這一工作為二維異質結中的局域層間激子的發射機制提供了新見解，揭示了莫爾超晶格中的無序態(DAP IX)與超晶格勢態(帶邊IX)之間的相互作用。在應用方面，局域IX發射的多峰特性和電場可調性表明它是一個多功能的量子發射平臺。可以通過控制樣品大小來減小發射峰數量，進一步還可以通過控制原子位置的方法按需產生和操縱層間激子發射，這對于基于二維半導體的量子信息和模擬有著重要的意義。 

圖1. DAP IX 熒光光譜。(a-c) IX PL光譜。(d) 范德華異質結中的DAP IX示意圖。(e-g) 理論計算的DAP IX峰位和實驗結果比較。(h) DAP模型的擬合度。

圖2. 局域IX發射的壽命能量關聯。(a) IX熒光光譜隨時間變化。(b)實驗裝置。(c-f) 能量和時間分辨的局域IX發射，及對應的衰減速率和能量的關系 

來源：中國科學院半導體研究所