当半导体粘在一起时 材料就会变得多样化

由能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)领导的一个研究小组已经开发出一种简单的方法，可以将普通的半导体材料转变为量子机器 - 超薄设备的特点是非凡的电子行为。这种进步有助于革新许多旨在实现节能电子系统的行业 - 并为异国情调的新物理提供平台。

最近在“ 自然 ”杂志上在线发表了描述该方法的研究，该方法将二维二硫化钨和二硒化钨二维层叠在一起，形成复杂图案的材料或超晶格。

“这是一个惊人的发现，因为我们没有想到这些半导体材料具有强烈的相互作用，”伯克利实验室材料科学部的凝聚态物理学家和加州大学伯克利分校物理学教授冯峰说。“现在，这项工作已将这些看似普通的半导体带入量子材料领域。”

二维(2D)材料只有一个原子厚，就像纳米尺寸的构建块，可以任意堆叠形成微小的器件。当两种2D材料的晶格相似且良好对齐时，可形成称为莫尔超晶格的重复图案。

在过去十年中，研究人员一直在研究如何将不同的二维材料结合起来，通常从石墨烯开始 - 石墨烯是一种以高效传导热量和电能的方式而闻名的材料。在这项工作中，其他研究人员发现，用石墨烯形成的莫尔超晶格表现出奇异的物理特性，例如当层以正确的角度排列时的超导性。

由Wang领导的这项新研究使用二维材料的二维样品 - 二硫化钨和二硒化钨 - 显示层间的扭转角提供了一个“调整旋钮”，将2D半导体系统转变为具有高度奇异性的量子材料相互作用的电子。

进入一个新的物理领域

共同主要作者，博士后学者陈浩瑾和研究生Emma Regan，他们都在加州大学伯克利分校的超快纳米光学组的Wang下工作，使用聚合物制造二硫化钨和二硒化钨样品将每个直径仅几十微米的材料的薄片拾取并转移到堆叠中的技术。

他们为之前的研究制作了类似的材料样本，但两层没有特定的角度堆叠。当他们测量新二硫化钨和二硒化钨样品的光学吸收用于当前研究时，他们完全被惊讶地采用。

当光与系统的激子具有相同的能量时，二硫化钨/二硒化钨装置中可见光的吸收最大，一个准粒子由一个与2D半导体中常见的空穴结合的电子组成。(在物理学中，一个空洞是一个电子可能占据的当前空置状态。)

对于研究人员正在考虑的能量范围内的光，他们希望在信号中看到一个与激子能量相对应的峰值。

相反，他们发现他们期望看到的原始峰分裂成三个不同的峰，代表三种不同的激子态。

什么可以将二硫化钨/钨器件中激子态的数量从一到三增加?它是否添加了莫尔超晶格?

为了找到答案，他们的合作者Aiming Yan和Alex Zettl在伯克利实验室的分子铸造厂(一家纳米级科学研究机构)使用透射电子显微镜(TEM)来获取二硫化钨/二硒化钨设备的原子分辨率图像来检查材料'格子对齐了。

TEM图像证实了他们一直怀疑的东西：材料确实形成了莫尔超晶格。“我们在整个样本中看到了漂亮的重复图案，”里根说。“在将这个实验观察与理论模型进行比较后，我们发现莫尔图案在器件周期性地引入了大的势能，因此可能引入奇特的量子现象。”

研究人员接下来计划测量这种新的量子系统如何应用于光电子学，这涉及光学在电子学中的应用; 谷电子学，一个可以通过小型化电子元件扩展摩尔定律极限的领域; 和超导性，这将允许电子在几乎没有电阻的设备中流动。

亚利桑那州立大学和日本国家材料科学研究所的研究人员也参与了这项研究。