由能源部勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組已經(jīng)開發(fā)出一種簡單的方法，可以將普通的半導(dǎo)體材料轉(zhuǎn)變?yōu)榱孔訖C(jī)器 - 超薄設(shè)備的特點是非凡的電子行為。這種進(jìn)步有助于革新許多旨在實現(xiàn)節(jié)能電子系統(tǒng)的行業(yè) - 并為異國情調(diào)的新物理提供平臺。

最近在“ 自然 ”雜志上在線發(fā)表了描述該方法的研究，該方法將二維二硫化鎢和二硒化鎢二維層疊在一起，形成復(fù)雜圖案的材料或超晶格。

“這是一個驚人的發(fā)現(xiàn)，因為我們沒有想到這些半導(dǎo)體材料具有強烈的相互作用，”伯克利實驗室材料科學(xué)部的凝聚態(tài)物理學(xué)家和加州大學(xué)伯克利分校物理學(xué)教授馮峰說。“現(xiàn)在，這項工作已將這些看似普通的半導(dǎo)體帶入量子材料領(lǐng)域。”

二維(2D)材料只有一個原子厚，就像納米尺寸的構(gòu)建塊，可以任意堆疊形成微小的器件。當(dāng)兩種2D材料的晶格相似且良好對齊時，可形成稱為莫爾超晶格的重復(fù)圖案。

在過去十年中，研究人員一直在研究如何將不同的二維材料結(jié)合起來，通常從石墨烯開始 - 石墨烯是一種以高效傳導(dǎo)熱量和電能的方式而聞名的材料。在這項工作中，其他研究人員發(fā)現(xiàn)，用石墨烯形成的莫爾超晶格表現(xiàn)出奇異的物理特性，例如當(dāng)層以正確的角度排列時的超導(dǎo)性。

由Wang領(lǐng)導(dǎo)的這項新研究使用二維材料的二維樣品 - 二硫化鎢和二硒化鎢 - 顯示層間的扭轉(zhuǎn)角提供了一個“調(diào)整旋鈕”，將2D半導(dǎo)體系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈叨绕娈愋缘牧孔硬牧舷嗷プ饔玫碾娮印?/p>

進(jìn)入一個新的物理領(lǐng)域

共同主要作者，博士后學(xué)者陳浩瑾和研究生Emma Regan，他們都在加州大學(xué)伯克利分校的超快納米光學(xué)組的Wang下工作，使用聚合物制造二硫化鎢和二硒化鎢樣品將每個直徑僅幾十微米的材料的薄片拾取并轉(zhuǎn)移到堆疊中的技術(shù)。

他們?yōu)橹暗难芯恐谱髁祟愃频牟牧蠘颖?，但兩層沒有特定的角度堆疊。當(dāng)他們測量新二硫化鎢和二硒化鎢樣品的光學(xué)吸收用于當(dāng)前研究時，他們完全被驚訝地采用。

當(dāng)光與系統(tǒng)的激子具有相同的能量時，二硫化鎢/二硒化鎢裝置中可見光的吸收最大，一個準(zhǔn)粒子由一個與2D半導(dǎo)體中常見的空穴結(jié)合的電子組成。(在物理學(xué)中，一個空洞是一個電子可能占據(jù)的當(dāng)前空置狀態(tài)。)

對于研究人員正在考慮的能量范圍內(nèi)的光，他們希望在信號中看到一個與激子能量相對應(yīng)的峰值。

相反，他們發(fā)現(xiàn)他們期望看到的原始峰分裂成三個不同的峰，代表三種不同的激子態(tài)。

什么可以將二硫化鎢/鎢器件中激子態(tài)的數(shù)量從一到三增加?它是否添加了莫爾超晶格?

為了找到答案，他們的合作者Aiming Yan和Alex Zettl在伯克利實驗室的分子鑄造廠(一家納米級科學(xué)研究機(jī)構(gòu))使用透射電子顯微鏡(TEM)來獲取二硫化鎢/二硒化鎢設(shè)備的原子分辨率圖像來檢查材料'格子對齊了。

TEM圖像證實了他們一直懷疑的東西：材料確實形成了莫爾超晶格。“我們在整個樣本中看到了漂亮的重復(fù)圖案，”里根說。“在將這個實驗觀察與理論模型進(jìn)行比較后，我們發(fā)現(xiàn)莫爾圖案在器件周期性地引入了大的勢能，因此可能引入奇特的量子現(xiàn)象。”

研究人員接下來計劃測量這種新的量子系統(tǒng)如何應(yīng)用于光電子學(xué)，這涉及光學(xué)在電子學(xué)中的應(yīng)用; 谷電子學(xué)，一個可以通過小型化電子元件擴(kuò)展摩爾定律極限的領(lǐng)域; 和超導(dǎo)性，這將允許電子在幾乎沒有電阻的設(shè)備中流動。

亞利桑那州立大學(xué)和日本國家材料科學(xué)研究所的研究人員也參與了這項研究。