导读
近日，美国伦斯勒理工学院史夙飞教授及其合作者在Nano Letter发表了题为“Giant Valley-Zeeman Splitting from Spin-Singlet and Spin-Triplet Interlayer Excitons in WSe2/MoSe2 Heterostructure”的研究论文。在高质量的转角为60°的BN/WSe2/ MoSe2/BN三明治结构器件中，通过静电掺杂和面外磁场调节的低温光致发光光谱 (PL)发现单线态和三线态的层间激子。它们在磁场中展现出极大的能谷塞曼效应，g值分别为10.7和15.2，与理论预期相符。单线态和三线态层间激子表现出相反的谷极化特性，并且通过光致发光激发光谱（PLE）发现单线态和三线态层间激子在共振激发时展现出更强的谷极化特性，其中单线态层间激子在20 K时几乎达到100%。因此，具有优异的能谷塞曼分裂和谷极化特性的单线态和三线态层间激子为自旋电子学和谷电子学的应用提供基础。
二维材料屏蔽效应的减弱导致电子和空穴的库仑相互作用增强，不仅在单层TMDs材料中产生强束缚的激子，同时在不同单层材料组成的type-II异质结中形成电子和空穴分立于不同单层材料的具有长寿命的层间激子。理论结果表明层间激子具有单线态和三线态的精细结构。
首先，研究者发现在BN/WSe2/ MoSe2/BN三明治结构器件中(图1)，WSe2和MoSe2层内激子由于在type-II能带结构中强烈的电子转移而被极大地抑制。同时在~1.4 eV出现两个明显的PL峰，分别是单线态和三线态层间激子。通过PL随静电掺杂的变化发现，单线态和三线态层间激子展现出明显的蓝移，并且当堆叠顺序相反时则出现明显红移。
图 1 转角为60°的BN/WSe2/ MoSe2/BN三明治结构器件中的单线态和三线态层间激子
其次，通过考察PL随磁场变化趋势可以发现（图2），由于塞曼效应，线偏光激发下的单线态和三线态层间激子展现出极强的能谷塞曼分裂，它们的g值分别为10.7和15.2，与理论预期相符。
最后，研究人员通过光致发光激发光谱（PLE）发现单线态和三线态层间激子表现出相反的谷极化特性，单线态层间激子的谷极化率更大，并且通过光致发光激发光谱（PLE）发现单线态和三线态层间激子在共振激发时展现出更强的谷极化特性（图3a,b）。此外，从谷极化特性随温度变化特性可以看出（图3c-f），单线态和三线态层间激子的谷极化特性随温度升高而减弱，单线态层间激子在20 K时几乎达到100%。
图2 单线态和三线态层间激子在面外磁场下的PL特性
图3 单线态和三线态层间激子谷极化特性的共振激发特性
本研究揭示了WSe2/ MoSe2异质结中层间激子不仅具有极大的能谷塞曼分裂，同时还有出色的谷极化特性，为自旋电子学和谷电子学的应用提供基础。论文的共同一作是博士生王天盟，博士生缪胜男，李志鹏博士和博士生孟余泽。共同通讯作者是史夙飞教授和Sefaattin Tongay教授。其他合作者还包括FSU的博士生陆正光，日本的Taniguchi和Watanabe 博士和美国国家高磁实验室的Dmitry Smirnov博士。
文章链接
Giant Valley-Zeeman Splitting from Spin-Singlet and Spin-Triplet Interlayer Excitons in WSe2/MoSe2 Heterostructure
Tianmeng Wang, Shengnan Miao, Zhipeng Li, Yuze Meng, Zhengguang Lu, Zhen Lian,
Mark Blei, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Sefaattin Tongay, Dmitry Smirnov, and Su-Fei Shi
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b04528
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