[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究利用高分辨率角分辨光电子能谱（ARPES）直接观测了由二维异质结形成的莫尔超晶格中的显著能带子带，包括石墨烯/WSe2（0.5 nm周期）和WS2/WSe2（8 nm周期）。研究揭示了可调谐的电子色散关系，并表明WS2/WSe2双层可在远距离的石墨烯层中诱导强烈的莫尔势场，为设计量子材料开辟了新途径。

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.

研究动机与目标

• 研究不同周期（从短周期0.5 nm到长周期8 nm）的莫尔超晶格的电子结构。
• 探索非匹配、短周期莫尔势场中子带的形成与色散特性。
• 确定一个异质结中的莫尔势场是否能影响第三个未耦合的二维层。
• 建立一种在多层二维异质结中精确控制空间分布的莫尔势场工程方法。

提出的方法

• 采用亚微米级空间分辨率的角分辨光电子能谱（ARPES）映射莫尔超晶格的电子能带结构。
• 通过调节扭转角度制备了石墨烯/WSe2和WS2/WSe2异质结，以实现不同的莫尔周期。
• ARPES的空间分辨率使能够选择性探测异质结中各单层的电子态，包括三叠层结构中的远距离石墨烯层。
• 通过分析测得的能带色散关系，识别子带形成并量化莫尔势场的强度。
• 对不同莫尔周期下子带色散关系的对比分析揭示了电子态的可调谐性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在莫尔周期从0.5 nm到8 nm变化的莫尔超晶格中，子带色散如何演化？
• RQ2 来自WS2/WSe2双层的莫尔势场是否能有效调制第三个独立石墨烯层的电子结构？
• RQ3 通过范德华间隙传递到远距离二维层的莫尔势场的强度和空间范围如何？
• RQ4 与长周期莫尔超晶格相比，短周期莫尔超晶格在能带色散和电子局域化方面有何不同？
• RQ5 在多层二维异质结中，莫尔势场在量子材料设计中可被工程化的程度如何？

主要发现

• 在石墨烯/WSe2（0.5 nm周期）和WS2/WSe2（8 nm周期）异质结中，直接观测到具有明确色散关系的显著子带。
• 在0.5 nm周期的石墨烯/WSe2体系中，子带色散表现出强烈的电子关联效应和明显的能带平坦化。
• 在WS2/WSe2体系中，发现莫尔势场足够强，可在远距离石墨烯层（g/WS2/WSe2）中诱导可测量的能带分裂，表明存在长程势场传递。
• 测得的WS2/WSe2体系中的莫尔势场强度估计约为100 meV，远高于此类体系的预期值。
• ARPES的空间分辨率使能够明确识别各单层中的电子态，证实了异质结界面的完整性。