[논문 리뷰] Moiré lattice-induced formation and tuning of hybrid dipolar excitons in twisted WS$_2$/MoSe$_2$ heterobilayers

Long Zhang, Zhe Zhang외 10명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 22.

2D Materials and Applications참고 문헌 23인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 다양한 비틀기 각도에서 형성된 모리 초격자에 의해 기계적 왜곡된 WS₂/MoSe₂ 이중층 구조에서 하이브리드 이중극자 격리자가 연속적으로 조절됨을 보여준다. 모리 격자는 이중층 및 내층 격리자 간의 공명 혼성화를 가능하게 하며, 공명 각도(21.8° 및 38.2°)에서 상호작용 강도가 증가함에 따라 하이브리드 격리자가 뚜렷하게 복귀함을 보여주며, 이는 각도 의존성 광학 스펙트로스코피를 통해 격리자 효과 질량과 터널링 강도를 추출할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Moiré superlattices formed in van der Waals bilayers have enabled the creation and manipulation of new quantum states, as is exemplified by the discovery of superconducting and correlated insulating states in twisted bilayer graphene near the magic angle. Twisted bilayer semiconductors may lead to tunable exciton lattices and topological states, yet signatures of moiré excitons have been reported only in closely angularly-aligned bilayers. Here we report tuning of moiré lattice in WS$_{2}$ /MoSe$_{2}$ bilayers over a wide range of twist angles, leading to the continuous tuning of moiré lattice induced interlayer excitons and their hybridization with optically bright intralayer excitons. A pronounced revival of the hybrid excitons takes place near commensurate twist angles, 21.8°and 38.2°, due to interlayer tunneling between states connected by a moiré reciprocal lattice vector. From the angle dependence, we obtain the effective mass of the interlayer excitons and the electron inter-layer tunneling strength. These findings pave the way for understanding and engineering rich moiré-lattice induced phenomena in angle-twisted semiconductor van dar Waals heterostructures.

연구 동기 및 목표

• 기계적 왜곡된 전이 금속 디 chalcogenide 이중층에서 모리 초격자의 역할을 탐색하고 하이브리드 격리 상태를 유도 및 조절하는 방식을 이해한다.
• 비틀기 각도가 WS₂/MoSe₂ 이중구조에서 이중층 결합과 격리자 혼성화에 미치는 영향을 조사한다.
• 각도 의존성 광학 스펙트로스코피를 통해 이중층 격리자의 효과 질량과 이중층 전자 터널링 강도를 측정한다.
• 모리 격자 주기성, 밸리 정렬 및 공명 하이브리드 격리자 형성 간의 이론적 프레임워크를 수립한다.

제안 방법

• 광학적 보호를 위해 기계적 분리 및 hBN 봉입을 사용하여 제어된 비틀기 각도를 가진 WS₂/MoSe₂ 이중층을 제작하였다.
• 비틀기 각도를 1도 이내의 정밀도로 측정하기 위해 각도 분석 광학 두 번째 고조파 방출을 사용하였다.
• 저온에서의 마이크로 광발광 스펙트로스코피를 수행하여 비틀기 각도에 따른 격리자 전이를 탐구하였다.
• 모리 역격자 벡터, 이중층 터널링 및 밸리 결합을 포함하는 이론적 모델을 개발하여 하이브리드 격리자 형성 메커니즘을 기술하였다.
• 비틀기 각도의 함수로 내층 격리자와 이중층 격리자 간의 에너지 이탈(δ)과 결합 강도(J)에 대한 해석적 표현을 유도하였다.
• 모델을 실험 데이터에 적합시켜 이중층 격리자의 효과 질량과 이중층 터널링 행렬 원소(w ≈ 14 meV)를 추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 WS₂/MoSe₂ 이중층에서 비틀기 각도가 하이브리드 격리자의 형성과 에너지에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 모리 초격자 주기성이 격리자 상태 간의 공명 이중층 결합을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 어느 비틀기 각도에서 터널링 강도가 증가함에 따라 하이브리드 격리자가 뚜렷하게 복귀하는가, 그리고 그 이유는 무엇인가?
• RQ4 이중층 격리자의 효과 질량과 이중층 터널링 강도는 비틀기 각도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 스핀-오비탈 결합과 밸리 선택 법칙은 내층 격리자와 이중층 격리자의 혼성화에 얼마나 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• 하이브리드 격리자는 21.8° 및 38.2°의 비틀기 각도에서 뚜렷한 복귀를 보이며, 이는 양층 간의 밸리 정렬이 이루어지는 공명 모리 초격자에 해당한다.
• 비틀기 각도가 증가함에 따라 하이브리드 격리자와 내층 격리자 간의 에너지 이탈(δ)이 증가하며, 이는 모리 격자 내 운동 에너지 증가와 일치하며, δ ∝ θ² 관계를 따른다.
• 터널링 행렬 원소의 운동량 불일치로 인해 비틀기 각도가 증가함에 따라 하이브리드 상태 간의 결합 강도(J)가 감소한다.
• θ = 0°에서 측정된 결합 강도를 기반으로 이중층 터널링 행렬 원소(w)는 약 14 meV로 실험적으로 추정되었다.
• 하이브리드 격리자 에너지의 각도 의존성에서 유도된 이중층 격리자 효과 질량(M_IX)은 모델의 예측 능력을 확인한다.
• 고립된 이중층 격리자와 내층 격리자 간의 결합 에너지 차이는 뿐만 아니라 터널링을 무시할 경우 예측되는 약 100 meV보다 훨씬 작은 10–16 meV이지만, 이는 상당히 작은 차이임을 시사한다.