《Nature，Nanotechnology》，一種電晶體超晶格！

廣泛的過渡金屬二硫族化合物（TMDC）電晶體可作為單層（ML）晶體，囙此，將每種資料精確地集成到範德瓦爾斯（vdW）超晶格（SLs）中，可以實現具有以前未探索過的功能新結構。

在此，來自韓國浦項科技大學的Moon-Ho Jo等研究者，報導了一種由MoS₂、WS₂和WSe₂等兩種不同TMDC MLs組成的具有可程式設計堆積週期的vdWSLs的原子層-層外延生長。相關論文以題為“Heteroepitaxial van der Waals semiconductor superlattices”發表在Nature nanotechnology上。

論文連結：

https://www.nature.com/articles/s41565-021-00942-z

數十年來，電晶體超晶格（SLs），即在原子厚度範圍內由兩個交替電晶體組成的週期性層狀結構，已成為現代電子、光子學和顯示技術中各種異質結器件的資料平臺。這種突出的SL例子有很多，通常為III-V化合物電晶體SLs（即GaAs/AlGaAs和GaInAs/AlInAs），如，用於高電子遷移率的電晶體和量子級聯雷射器，用於發光二極體的GaN/AlGaN SLs以及用於應變Si互補金屬氧化物電晶體的Si/Ge SLs等等。其中，組成的電晶體通過晶格匹配相干的異質介面共價結合，其中二維載流子根據層間耦合强度的程度形成不同的量子阱（QW）結構。同時，範德瓦爾斯（vdW）電晶體，通常來源於過渡金屬二硫屬化合物（TMDCs，MX₂，其中M和X分別代表過渡金屬離子和硫根離子），自然會在單元單分子層（ML）中通過無化學鍵的vdW間隙產生固有的2D限制。這種vdW電晶體MLs顯示了不同的電子結構，囙此，它們有希望通過將每種vdW QW結構精確地集成到SLs中來創建一種新的vdW QW結構。

儘管研究者對不同vdW MLs的雙層堆疊進行了廣泛的研究，以研究新型的層間激子，例如層間激子和與扭角相關的强相關性，對vdW SLs的QW態瞭解較少，主要是因為它們無法通過精確的ML-by-ML合成得到。本文中，研究者注意到近年來電晶體金屬vdW異質結構陣列的圖案化生長和徑向vdW SLs的折疊平面vdW異質結構的發展。它們通常是通過與大氣中的一些雜質進行人工轉移堆垛來製備的，這對於可擴展的集成來說可能不是不可避免的。

在此，研究者報導了利用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）科技直接生長vdW SLs，該科技由MoS₂、WS₂和WSe₂MLs異質外延堆積而成。通過近平衡極限下异核成核的動力學控制，實現了精確的ML-by-ML序列堆垛。這種ML-by-ML堆疊外延，使得能够實現ML精度可調的vdW SL電子結構。研究者用不同的方法確定了vdW異質介面上的幾種原子堆積順序。與共價電晶體相比，vdW ML電晶體通常具有更大、更長久的自旋穀極化載流子，可由圓偏振光有效地產生。以相干二維vdW異質介面上的II型帶排列為例，研究者演示了穀極化載流子激發——vdW ML電晶體中最顯著的電子特性之一——根據研究者的（MoS₂/WS₂）_nSLs中的堆棧號n對光激發進行縮放。

圖1 MoS₂/WS₂SLs的ML-by-MLvdW異質外延。

圖2具有可調週期的vdW SLs設計異質外延。

圖3 WSe₂/WS₂/MoS₂三層層面內晶體結構的異質外延演化。

圖4 II型MoS₂/WS₂SLs中的穀極化中間層激發。

綜上所述，研究者報導了利用ML-by-ML異質外延科技，實現了週期可調vdW電晶體SLs的生長。研究者驗證了SLs中vdW異質介面上的相干原子堆積順序。這種相干vdW SLs提供了一套新的可調諧二維電子系統，為研究未知性質和功能的各種固態現象提供了挑戰性的機會。作為範例，研究者提出了僅適用於vdW SLs中一系列2D II型帶排列的縮放穀偏振光激發。囙此，外延設計的vdW SLs可以作為一種具有不同vdW介面的新型QW態的可擴展平臺。

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