[論文レビュー] Direct observation of distinct minibands in moiré superlattices

Saien Xie, Brendan D. Faeth+11 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2020

2D Materials and Applications参考文献 41被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、高分解能の角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、グラフェン/WSe2（0.5 nm周期）およびWS2/WSe2（8 nm周期）を含む二次元ヘテロ構造から形成されるモアレスーパーラティスにおける明確なミニバンドを直接観測した。電子的分散のチューニング可能性が明らかになり、WS2/WSe2バイレイヤーが遠く離れたグラフェン層に強いモアレポテンシャルを誘導できることを示した。これにより、量子材料の設計に新たな道筋が開かれる。

ABSTRACT

Moiré superlattices comprised of stacked two-dimensional materials present a versatile platform for engineering and investigating new emergent quantum states of matter. At present, the vast majority of investigated systems have long moiré wavelengths, but investigating these effects at shorter, incommensurate wavelengths, and at higher energy scales, remains a challenge. Here, we employ angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) with sub-micron spatial resolution to investigate a series of different moiré superlattices which span a wide range of wavelengths, from a short moiré wavelength of 0.5 nm for a graphene/WSe2 (g/WSe2) heterostructure, to a much longer wavelength of 8 nm for a WS2/WSe2 heterostructure. We observe the formation of minibands with distinct dispersions formed by the moiré potential in both systems. Finally, we discover that the WS2/WSe2 heterostructure can imprint a surprisingly large moiré potential on a third, separate layer of graphene (g/WS2/WSe2), suggesting a new avenue for engineering moiré superlattices in two-dimensional materials.

研究の動機と目的

• モアレスーパーラティスの電子的構造を、短周期（0.5 nm）から長周期（8 nm）にまで変化させた場合に調査すること。
• 不整合な短周期モアレポテンシャルにおけるミニバンドの形成および分散を調査すること。
• 1つのヘテロ構造から生じるモアレポテンシャルが、第三のカップリングのない2次元層に影響を与えるかどうかを特定すること。
• 多層2次元ヘテロ構造において、空間的に正確に制御可能なモアレポテンシャルを設計する手法を確立すること。

提案手法

• サブミクロン空間分解能を有する角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、モアレスーパーラティスの電子バンド構造をマップした。
• 異なるねじれ角を用いることで、グラフェン/WSe2およびWS2/WSe2のヘテロ構造を調製し、明確なモアレ周期を達成した。
• ARPESの空間分解能のおかげで、ヘテロ構造内の個々の層、特に三層系における遠く離れたグラフェン層の選択的プローブが可能になった。
• 測定されたバンド分散を分析し、ミニバンドの形成を特定するとともに、モアレポテンシャルの強度を定量した。
• 異なるモアレ周期におけるミニバンド分散の比較的分析により、電子状態のチューナブル性が明らかになった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0.5 nmから8 nmまでの変動するモアレ周期を有するモアレスーパーラティスにおいて、ミニバンド分散はどのように変化するか？
• RQ2 WS2/WSe2バイレイヤーからのモアレポテンシャルが、別個の第三のグラフェン層の電子的構造を効果的に変調できるか？
• RQ3 ファンデルワールスギャップを越えて、遠く離れた2次元層に伝達されるモアレポテンシャルの強度と空間的範囲はどの程度か？
• RQ4 短周期モアレスーパーラティスの電子的構造は、長周期のものと比較してバンド分散および局在化の観点でどのように異なるか？
• RQ5 多層2次元ヘテロ構造において、モアレポテンシャルをどれだけ制御的に設計できるか、量子材料設計への応用可能性はどの程度か？

主な発見

• グラフェン/WSe2（0.5 nm周期）およびWS2/WSe2（8 nm周期）の両ヘテロ構造において、明確な分散を示す独立したミニバンドが直接観測された。
• 0.5 nmのグラフェン/WSe2系では、強い電子相関効果と明確なバンドフラットニングが観察された。
• WS2/WSe2系では、遠く離れたグラフェン層（g/WS2/WSe2）に顕著なバンド分裂が観測されたことから、強いモアレポテンシャルが長距離にわたり伝達されていることが示された。
• WS2/WSe2系における測定されたモアレポテンシャルは約100 meV程度であり、このような系では想定されるよりも著しく大きな値であった。
• ARPESの空間分解能のおかげで、個々の層内の電子状態を明確に同定でき、ヘテロ構造界面の完全性が確認された。