【原】二维材料|西班牙ICFO首次通过散射扫描近场光学显微镜观察二维材料中的子带间跃迁

ICFO光电子科学研究所领导的研究团队报告了首次在理论计算和首次在实验观察到了在少数层半导体二维材料（TMD）量子阱中的子带间跃迁，研究成果发表在《自然纳米科学》上。

图为限制在包括不同厚度的TMD薄片内的电荷载体的示意图。在共振光激发下，在基态（蓝色）的电荷载流子可以激发到较高态（粉红色）。（图片来源：ICFO）

研究背景

半导体异质结构是电子学和光电子学发展的关键。红外和太赫兹频率范围内的许多应用利用半导体量子阱中的量子化状态之间的跃迁（称为子带间跃迁）。这些带内转换表现出非常大的振荡器强度。他们在Ⅲ-V半导体异质结构中发现描绘了凝聚态物理学界的巨大影响，并引发了量子阱红外光电探测器以及量子级联激光器的发展。

研究需求

通常通过分子束外延（结晶层的顺序生长）制造最高质量的量子阱，这是一种成熟的技术。然而，它有两个主要限制：需要进行晶格匹配，限制材料的自由选择，热生长导致原子扩散并增加界面粗糙度。2D材料可以克服这些限制，因为它们自然地形成具有原子级锐利界面的量子阱，提供无缺陷和原子级清晰的界面，能够形成理想的QW，没有扩散的不均匀性。它们不需要在匹配的衬底上进行外延生长，因此可以容易地隔离并耦合到其他电子系统，例如Si CMOS或光学系统，例如腔和波导。令人惊讶的是，无论是在实验上还是在理论上，以前从未研究过几层二维材料中的子带间跃迁。

研究进展

在实验中，研究小组应用散射扫描近场光学显微镜（s-SNOM）作为光谱吸收测量的创新方法，空间分辨率低于20nm。他们剥离TMD，其包括不同层厚度的横向尺寸约几微米的层，直接在单个器件中观察到这些不同量子阱厚度的子带间谐振。他们还静电调谐电荷载流子密度，并证明了在价带和导带中的子带间吸收。这些观察结果通过详细的理论计算得到支持和补充，揭示了多体和非局部效应。

意义

这项研究的结果为这一新型材料的未开发领域铺平了道路，并首次提供了2D材料中子带间跃迁所支持的物理机制和技术，如红外探测器、光源，以及具有与Si CMOS紧密集成的Si CMOS。

研究团队

法国国家科学研究中心（CRNS）光材料研究所（InstitutLumièreMatière）、丹麦技术大学，马克斯普朗克物质结构与动力学研究所、西班牙CIC nanoGUNE和国家石墨烯研究所。

ICFO

ICFO为2002年西班牙自治区泰罗尼亚政府和加泰罗尼亚技术大学巴塞罗那技术大学启动该中心，其使命是在光科学和技术的几个分支机构中进行最高国际水平的广泛，基础和应用研究。