[论文解读] Moiré quantum well states in tiny angle two dimensional semi-conductors

M. Fleischmann, R.S. Gupta+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2019

2D Materials and Applications被引用 6

一句话总结

本文提出，MoS₂ 和黑磷的微小扭转双层结构在价带边形成莫尔量子阱，由于层间势垒调制，产生高度局域化且间距均匀的能级。能级间距和态的数量可通过扭转角和层间耦合实现调控，从而实现二维半导体中量子点阵列的‘莫尔工程’。

ABSTRACT

The valence band edge in tiny angle twist bilayers of MoS$_2$ and phosphorene is shown to consist of highly localized energy levels created by a `moiré quantum well', i.e. trapped by the interlayer moiré potential. These approximately uniformly spaced energy levels exhibit a richly modulated charge density, becoming ultra-localized at the valence band maximum. The number and spacing of such levels is controllable by the twist angle and interlayer interaction strength, suggesting the possibility of `moiré engineering' ordered arrays of quantum dots in 2d twist semi-conductors.

研究动机与目标

• 研究MoS₂和黑磷的微小扭转双层结构的电子结构。
• 确定价带边是否因莫尔势垒局域化而表现出局域态。
• 探索通过扭转角和层间耦合调控这些局域态的可能性。
• 建立一个能准确捕捉二维半导体中莫尔量子阱物理特性的连续模型。
• 提出一种用于二维范德华异质结构中量子点阵列‘莫尔工程’的框架。

提出的方法

• 采用基于紧束缚与连续形式之间算符等价性的连续哈密顿量方法。
• 使用广义赝自旋平面波来表示连续框架中的布洛赫态。
• 通过倒易晶格矢量的求和来表述层间耦合，包含由扭转引起的动量提升和跃迁幅度。
• 将Slater-Koster紧束缚参数作为输入，构建有效连续哈密顿量。
• 求解有效莫尔势垒下的薛定谔方程，以获得能级和波函数。
• 通过分析波函数密度调制和能级序号，表征局域化特性和节点结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 微小扭转角的MoS₂和黑磷双层结构是否因莫尔势垒局域化而支持高度局域化的能级？
• RQ2 价带边的能级间距和态的数量如何依赖于扭转角和层间耦合？
• RQ3 这些态的波函数结构能否通过具有序号依赖节点模式的量子阱模型来描述？
• RQ4 由于晶格对称性的不同，MoS₂和黑磷之间的电荷密度调制有何差异？
• RQ5 通过调节扭转角和耦合强度，这些态在多大程度上可被工程化用于形成量子点阵列？

主要发现

• 微小扭转角的MoS₂和黑磷双层结构的价带边由高度局域化的能级组成，形成莫尔量子阱。
• 能级近似均匀分布，其节点结构取决于材料对称性：呈径向或矩形分布，能级序号n决定极大值数量。
• n=1态的空间局域范围约为1 nm，与单层MoS₂中的激子玻尔半径相当。
• 当扭转角从1°减小到0.3°时，能级间距ΔE从~10 meV降低至~2 meV。
• 束缚态数量对层间耦合强度敏感，在θ=0.5°时，λ=1.0对应10个能级，λ=0.6时对应21个能级。
• 波函数局域于AA堆叠区域，并受到莫尔晶格的强烈调制，尤其在黑磷中，其矩形对称性得以保持。