湯衍浩

(浙江大學(xué)物理學(xué)院,量子信息交叉中心,省重點(diǎn)量子技術(shù)實驗室,杭州 310063)

通過轉(zhuǎn)角或晶格失配構(gòu)造莫爾人工超晶格,可以對二維材料的能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效調(diào)控并產(chǎn)生平帶,為研究量子多體物理提供了全新的平臺.轉(zhuǎn)角過渡金屬硫族化物(TMDs)半導(dǎo)體莫爾超晶格中的平帶存在于較大的轉(zhuǎn)角范圍,并且具有自旋-能谷互鎖的能帶結(jié)構(gòu)以及優(yōu)異的光學(xué)特性,受到了廣泛的關(guān)注.本文聚焦于轉(zhuǎn)角TMDs半導(dǎo)體,介紹了近年來實驗上發(fā)現(xiàn)的多種新奇物態(tài),包括莫特絕緣態(tài)、廣義維格納晶體、非平庸拓?fù)鋺B(tài)、莫爾激子等;還進(jìn)一步討論了對這些新奇物態(tài)的調(diào)控及其機(jī)制,并展望了莫爾超晶格這一新興領(lǐng)域未來的研究方向.

1 引言

近年來,莫爾超晶格的研究取得了極大的發(fā)展,已經(jīng)成為凝聚態(tài)物理中最為活躍和重要的研究方向之一.莫爾紋很早就被人們所認(rèn)識,其可以通過兩種周期性的圖案干涉疊加而產(chǎn)生,具有類似“拍頻”的新奇視覺效果.該現(xiàn)象最早在中國被用于紡織,并在藝術(shù)和力學(xué)測量等領(lǐng)域有著一定應(yīng)用[1,2].近二十年來興起的范德瓦耳斯材料及其異質(zhì)結(jié)[3?11],讓我們有機(jī)會可以從微觀的層面重新審視這一人工超晶格結(jié)構(gòu).范德瓦耳斯材料是一種層內(nèi)原子通過化學(xué)鍵結(jié)合,而層與層之間通過范德瓦耳斯力結(jié)合的二維材料.當(dāng)兩層具有不同晶格常數(shù)或者不同轉(zhuǎn)角的原子級厚度的二維材料被堆疊起來,可以形成微觀尺度上的莫爾紋.這一現(xiàn)象在早期的石墨烯塊材的掃描隧道顯微鏡(STM)實驗中已被報道[12,13].不同于宏觀的莫爾紋僅僅產(chǎn)生視覺上的效果,基于二維材料的莫爾紋可以讓材料在原子尺度上發(fā)生耦合,從而產(chǎn)生出遠(yuǎn)不同于原本材料的物理性質(zhì)[14?17].

莫爾超晶格對二維材料的能帶結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生顯著的調(diào)制.2009 年,Andrei 課題組[18]利用化學(xué)氣相沉積(CVD)生長雙層石墨烯,通過STM 發(fā)現(xiàn)在具有一定相對轉(zhuǎn)角的雙層石墨烯中存在AA和AB/BA 堆疊形成的超晶格結(jié)構(gòu),并發(fā)現(xiàn)狄拉克點(diǎn)附近產(chǎn)生了新的范霍夫奇點(diǎn).2010 年,Dean 等[11]利用干式轉(zhuǎn)移,將六方氮化硼(hBN)作為電介質(zhì)材料包裹住石墨烯,使其免于襯底和外部的影響,從而極大地提高了石墨烯器件質(zhì)量.研究者控制hBN 和Graphene 的轉(zhuǎn)角,成功制備出hBN-Graphene 莫爾超晶格,通過電輸運(yùn)發(fā)現(xiàn)體系在莫爾布里淵邊界打開了能隙,并且當(dāng)強(qiáng)磁場使得磁通量的密度和莫爾晶胞可比擬時,出現(xiàn)了Hofstadter 蝴蝶效應(yīng)[19?22].

莫爾超晶格更為重要的意義在于,通過對能帶的調(diào)控可以產(chǎn)生平帶,結(jié)合二維材料易調(diào)控的優(yōu)勢,為強(qiáng)關(guān)聯(lián)物理和量子模擬的研究提供了一個全新的實驗平臺.理論工作者預(yù)言在1.05°轉(zhuǎn)角附近的雙層石墨烯中,電子能量隨動量的線性色散被層間相互作用“完美”抑制,從而產(chǎn)生平帶,而這一角度也被稱為魔角[14,15].由于石墨烯中電子能量色散較大,平帶只存在于很小的轉(zhuǎn)角范圍(約為0.1°).2018 年是莫爾超晶格領(lǐng)域的一個重要轉(zhuǎn)折點(diǎn),Jarillo-Herrero 課題組通過“撕裂和旋轉(zhuǎn)(tearand-rotate)”技術(shù)精準(zhǔn)地控制雙層石墨烯之間的轉(zhuǎn)角,結(jié)合電學(xué)摻雜調(diào)控,在1.1°轉(zhuǎn)角的雙層石墨烯中發(fā)現(xiàn)了關(guān)聯(lián)絕緣態(tài)[10]和超導(dǎo)態(tài)[9].該研究證明了莫爾超晶格在調(diào)控乃至構(gòu)筑量子新奇物態(tài)方面的巨大潛力,從而掀起了一股莫爾超晶格“淘金”浪潮.多種基于石墨烯的莫爾超晶格體系及其中的新奇物態(tài)被發(fā)現(xiàn),例如三層石墨烯-BN 體系[23,24]、轉(zhuǎn)角雙層石墨烯-BN[25,26]、轉(zhuǎn)角雙層-雙層石墨烯[27?29],轉(zhuǎn)角三層石墨烯[30,31]等超晶格體系,以及其中的軌道磁性[26]、量子反?；魻栃?yīng)[25]、向列態(tài)[32]、超導(dǎo)重入現(xiàn)象[30]等新奇物理現(xiàn)象.有趣的是,在非轉(zhuǎn)角的雙層和三層石墨烯中,研究者也在更低的轉(zhuǎn)變溫度發(fā)現(xiàn)了軌道磁性和超導(dǎo)[33?35].

相比于石墨烯體系,基于半導(dǎo)體過渡金屬硫族化物(TMDs)的莫爾超晶格因為其迥然不同的物理特性,也受到了極大關(guān)注.首先,轉(zhuǎn)角半導(dǎo)體TMDs中的平帶存在于很大的轉(zhuǎn)角范圍(比魔角雙層石墨烯大了約1 個量級)[17,36,37],極大提高了器件的重復(fù)性.其次,轉(zhuǎn)角半導(dǎo)體TMDs 中的電子相比于轉(zhuǎn)角石墨烯具有更高的空間局域性[17,36],其Wannier波函數(shù)半徑遠(yuǎn)小于莫爾晶格常數(shù),因此可以用于模擬Hubbard 模型等晶格模型.最后,半導(dǎo)體TMDs具有豐富的激子態(tài)以及很好的光學(xué)性質(zhì)[38,39],不僅為探測強(qiáng)關(guān)聯(lián)物態(tài)提供新的途徑[40?43],還可以用來研究玻色子強(qiáng)關(guān)聯(lián)物理[44].

后文將介紹半導(dǎo)體TMDs 及其莫爾超晶格的物理特性,討論轉(zhuǎn)角半導(dǎo)體TMDs 中實驗上發(fā)現(xiàn)的新奇物態(tài)以及新穎的調(diào)控機(jī)制,最后探討莫爾超晶格這一新興領(lǐng)域未來的研究方向.

2 轉(zhuǎn)角半導(dǎo)體TMDs

2.1 單層半導(dǎo)體TMDs

半導(dǎo)體TMDs 具有六方晶格結(jié)構(gòu),化學(xué)式為MX2,其中M 為過渡金屬(例如W,Mo),X 為硫族化物(例如S,Se,Te).單層TMDs 中的過渡金屬原子被兩層硫族化物原子包裹.當(dāng)半導(dǎo)體TMDs塊材被剝離至單層,能帶結(jié)構(gòu)由間接帶隙轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋禰6,7],價帶頂和導(dǎo)帶底位于布里淵區(qū)K和K′處.由于空間反演對稱性破缺和自旋軌道耦合,自旋在K和K′處發(fā)生劈裂,導(dǎo)致能谷位置和自旋朝向鎖定[39].基于這種能帶結(jié)構(gòu),利用光學(xué)方法可以選擇性地激發(fā)K(K′)處的電子,或者讀取K(K′)處電子的占據(jù)信息.同時,由于單層TMDs 中庫侖屏蔽效應(yīng)被極大地減弱,并且K(K′)處的光學(xué)躍遷均主要來自于過渡金屬的d 軌道,TMDs 中的激子具有極大的激子結(jié)合能和極強(qiáng)的光與物質(zhì)相互作用[38].這些特點(diǎn)使得半導(dǎo)體TMDs 成為能谷電子學(xué)的潛在候選者[38,45].

2.2 轉(zhuǎn)角TMDs 莫爾超晶格

2.2.1 莫爾周期勢

通過堆疊兩層具有不同晶格常數(shù)或角度的TMDs 單層,當(dāng)轉(zhuǎn)角處于0°附近,可以形成具有AA 和BXM(MX)晶格位的周期性結(jié)構(gòu),當(dāng)轉(zhuǎn)角處于60°附近,可以形成具有AB 和BMM(XX)晶格位的周期性結(jié)構(gòu)(圖1(a),(b)).其中,在AA 晶格位上,上下兩層的M 和X 原子相互重疊;在AB 晶格位上,上層的M 和X 原子分別和下層的X 和M 原子相互重疊;在Bij位上(i=M,X;j=M,X),上層的i原子和下層的j原子重疊.為方便討論,默認(rèn)情況下主要討論0°附近的轉(zhuǎn)角TMDs.莫爾超晶格產(chǎn)生的莫爾周期勢,將使得能帶發(fā)生折疊,從而形成一系列的莫爾能帶,并且能帶寬度被角度所調(diào)制(圖1(c),(d)).在小轉(zhuǎn)角和小晶格常數(shù)差的情況下,莫爾超晶格的晶格常數(shù)aM≈其中a是TMDs 的晶格常數(shù),δ是兩層TMDs 的晶格常數(shù)失配比,θ是兩層之間的轉(zhuǎn)角.莫爾周期勢主要來源于兩層TMDs 中的電子在不同晶格位有著不一樣的耦合強(qiáng)度[17,46].此外,由于晶格重構(gòu)效應(yīng),TMDs 莫爾超晶格中存在周期性的應(yīng)變,例如研究者在轉(zhuǎn)角TMDs 同質(zhì)結(jié)[47]和異質(zhì)結(jié)[48]中,通過STM 觀測到了上下起伏波紋狀的結(jié)構(gòu).這種應(yīng)變將進(jìn)一步調(diào)制單層TMDs 中能帶結(jié)構(gòu),從而調(diào)制莫爾周期勢.

圖1 轉(zhuǎn)角TMDs 的晶格和能帶結(jié)構(gòu)0°轉(zhuǎn)角 (a)和60°轉(zhuǎn)角 (b) TMDs 異質(zhì)結(jié)的晶格結(jié)構(gòu)示意圖;(c)轉(zhuǎn)角WSe2/MoSe2 的能帶圖[17];(d)不同晶格位之間躍遷的動能隨莫爾晶格常數(shù)的依賴關(guān)系[17]Fig.1.Crystal structure and band structure in twisted TMDs: The crystal structure in 0° (a) and 60° (b) twisted TMDs heterobilayer;(c) the moiré band structure of low-energy electrons in 2° twisted WSe2/MoSe2 heterobilayer[17];(d) the kinetic energy of electrons hopping between different moiré sites as a function of the moiré lattice constant[17].

2.2.2 角度缺陷(angular disorder)

與傳統(tǒng)材料不同,莫爾超晶格的物理性質(zhì)依賴于轉(zhuǎn)角,從而具有一種新的缺陷種類—角度缺陷.轉(zhuǎn)角TMDs 從材料構(gòu)成上可以分為莫爾同質(zhì)結(jié)和莫爾異質(zhì)結(jié).在莫爾同質(zhì)結(jié)中,由于δ=0,莫爾晶格常數(shù)對于轉(zhuǎn)角非常敏感.雖然莫爾同質(zhì)結(jié)可以通過tear-and-rotate 的方式精確控制層間轉(zhuǎn)角,但是當(dāng)兩層TMDs 堆疊在一起時,轉(zhuǎn)角往往會發(fā)生不可控的偏移,從而使得莫爾同質(zhì)結(jié)的角度空間均勻性較差[49].而在莫爾異質(zhì)結(jié)中,這種角度缺陷可以很好地被抑制[48].莫爾異質(zhì)結(jié)中的兩層TMDs 的晶軸朝向可以通過測量極化方向依賴的二次諧波來表征,通常精確度為±0.5°[40].當(dāng)轉(zhuǎn)角TMDs 異質(zhì)結(jié)存在較大的晶格失配時,轉(zhuǎn)角的偏差對莫爾晶格常數(shù)的影響將非常小(例如,MoTe2/WSe2晶格失配約為8%,轉(zhuǎn)角從0°變?yōu)?°,只會讓莫爾晶格常數(shù)改變約2%[50,51]),因此莫爾異質(zhì)結(jié)通常具有更好的空間均勻性和器件的可重復(fù)性.

2.2.3 低能量電子空間局域性

與魔角雙層石墨烯中平帶或者強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)只存在于魔角附近非常小的轉(zhuǎn)角范圍(1.1°±0.1°)不同[9,10],轉(zhuǎn)角半導(dǎo)體TMDs 中莫爾能帶寬度隨著轉(zhuǎn)角變大而單調(diào)增大[17,36],并且在較大的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)都存在強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng).例如,研究者在轉(zhuǎn)角為5°的雙層WSe2中通過電學(xué)輸運(yùn)測量仍然觀測到了關(guān)聯(lián)電子態(tài)[37].同時,轉(zhuǎn)角TMDs 中的低能量電子具有較好的空間局域性.研究者通過第一性原理的電荷密度泛函理論計算發(fā)現(xiàn)了3.5°轉(zhuǎn)角的雙層MoS2中,低能量空穴局域在MX 和XM 位[36],并得到了STM 實驗的進(jìn)一步驗證[47].值得指出的是,空穴局域的晶格位置強(qiáng)烈依賴于晶格重構(gòu)效應(yīng),如果不考慮晶格重構(gòu),空穴將局域在MM 位[36].

2.2.4 理論模型

由于低能量電子的空間局域化,研究者提出了基于轉(zhuǎn)角半導(dǎo)體TMDs 模擬晶格模型的多種方案.轉(zhuǎn)角雙層TMDs 異質(zhì)結(jié)中的價帶存在巨大的自旋-軌道劈裂,可以用于模擬三角晶格中單軌道的Hubbard 模型,并發(fā)現(xiàn)在莫爾能帶半填充和其他分?jǐn)?shù)填充下可能存在新奇關(guān)聯(lián)絕緣態(tài)和超導(dǎo)態(tài)[17];轉(zhuǎn)角雙層TMDs 同質(zhì)結(jié)中存在雙軌道的低能量空穴,可以用于實現(xiàn)Kane-Mele 模型,即存在具有時間反演對稱性不變的二維拓?fù)浣^緣態(tài)[52,53].轉(zhuǎn)角單層-雙層TMDs 異質(zhì)結(jié)同時存在空間局域電子和巡游電子,可以用于實現(xiàn)Kondo 晶格模型[54];轉(zhuǎn)角TMDs 異質(zhì)結(jié)中還存在空間局域化的層間莫爾激子,可以用于實現(xiàn)Bose-Hubbard 模型[44].

3 轉(zhuǎn)角半導(dǎo)體TMDs 中的關(guān)聯(lián)電子物態(tài)

3.1 莫特絕緣態(tài)(Mott insulator)及其光學(xué)探測

當(dāng)體系的每個晶格上有一個電子(填充因子為1)并且電子在同一晶格位上的庫倫相互作用(U)遠(yuǎn)大于能帶寬度(W),電子將無法自由移動,從而形成莫特絕緣態(tài)[55],見圖2(a).多個實驗課題組各自通過不同的探測手段,在轉(zhuǎn)角半導(dǎo)體TMDs中發(fā)現(xiàn)了莫特絕緣態(tài)或關(guān)聯(lián)絕緣態(tài)[37,40,42,43].

3.1.1 轉(zhuǎn)角TMDs 異質(zhì)結(jié)

Wang 課題組[42]設(shè)計和制備了一種特殊的器件結(jié)構(gòu),0°轉(zhuǎn)角的WSe2/WS2被分為兩個區(qū)域(有或沒有頂端柵極).研究者利用TMDs 和金屬肖特基接觸形成的極大的接觸電阻,使電荷在頂柵高頻電壓調(diào)制下只能在轉(zhuǎn)角TMDs 的兩個區(qū)域之間流動,并結(jié)合TMDs 光學(xué)性質(zhì)對于電荷濃度的依賴關(guān)系,標(biāo)定了轉(zhuǎn)角WSe2/WS2在不同電荷濃度下的等效電阻和電容.研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)每個莫爾晶胞填充的空穴為1 時,等效電阻和電容分別呈現(xiàn)為極大和極小值,證明了體系處于莫特絕緣態(tài).Mak 和Shan 課題組[40]設(shè)計和制備了60°轉(zhuǎn)角的WSe2/WS2的雙柵極器件,通過測量莫爾激子反射譜發(fā)現(xiàn),當(dāng)莫爾晶胞填充因子為1 時,莫爾激子的反射強(qiáng)度增強(qiáng),反映了體系對于莫爾激子的屏蔽作用減弱,證明了體系處于莫特絕緣態(tài).這一結(jié)論進(jìn)一步被兩端法輸運(yùn)測量驗證—電阻在填充因子為1 處增大了兩個數(shù)量級.同時,研究者利用TMDs 中光學(xué)躍遷的能谷選擇性,測量了磁化率隨溫度的依賴關(guān)系,從而發(fā)現(xiàn)莫特絕緣態(tài)具有反鐵磁相互作用.值得指出的是,這一結(jié)果和Hubbard 模型的理論相自洽[56],為利用轉(zhuǎn)角TMDs 研究Hubbard 模型打下了實驗基礎(chǔ).理論研究者還指出WSe2/WS2中的莫特絕緣態(tài)很有可能是一種電荷轉(zhuǎn)移絕緣態(tài),即莫爾晶胞中填充的第2 個電子和第1 個不在同一晶格位上[57],該圖像仍有待STM 實驗的檢驗.

3.1.2 轉(zhuǎn)角TMDs 同質(zhì)結(jié)

Dean 課題組[37]在轉(zhuǎn)角為4°—5°的雙層WSe2中通過電學(xué)輸運(yùn)測量發(fā)現(xiàn)了關(guān)聯(lián)絕緣態(tài).由于在如此大轉(zhuǎn)角的情況下,電子之間的庫侖相互作用約為30 meV,最低莫爾能帶寬度約為60—80 meV,所觀測到的絕緣態(tài)和莫特絕緣態(tài)很有可能有不一樣的物理機(jī)制,例如理論研究者提出了激子密度波的物理圖像[58].Imamo?lu 課題組[43]設(shè)計和制備了MoSe2-hBN-MoSe2器件,兩層MoSe2之間的轉(zhuǎn)角小于1°,通過研究電荷在兩層MoSe2之間的轉(zhuǎn)移發(fā)現(xiàn)當(dāng)上層或者下層MoSe2的填充因子為1 時,體系處于不可壓縮態(tài)-莫特絕緣態(tài).由于薄層hBN將兩層MoSe2在空間上分開,MoSe2-hBN-MoSe2的莫爾周期勢遠(yuǎn)小于TMDs 直接接觸的轉(zhuǎn)角體系.值得指出的是,雙層TMD 同質(zhì)結(jié)由于具有更高的軌道簡并度,理論上可能存在拓?fù)浞瞧接刮飸B(tài)[52,53,59],而雙層TMD 異質(zhì)結(jié)由于軌道簡并度為1,一般認(rèn)為只包含拓?fù)淦接刮飸B(tài)(為簡單起見,目前的討論僅局限于K能谷).而實驗上,雖然未在雙層TMD同質(zhì)結(jié)中觀測到拓?fù)浞瞧接沟默F(xiàn)象,但是在MoTe2/WSe2中,通過施加極大的外加電場,使得MoTe2和WSe2的價帶的能量互相接近,并發(fā)生雜化,實現(xiàn)了量子反?；魻栃?yīng)[51](見4.1 節(jié)).

3.2 廣義維格納晶體(generalized Wigner crystal)

與傳統(tǒng)的強(qiáng)關(guān)聯(lián)材料不同(例如銅基高溫超導(dǎo)[56]),由于二維材料中屏蔽效應(yīng)的減弱,莫爾超晶格中的近鄰和次近鄰庫侖相互作用變得不可被忽略,從而導(dǎo)致廣義維格納晶體的形成[60,61],見圖2(b)—(d).相比于二維自由電子氣中維格納晶體(要求Wigner-Seitz 半徑rS≥ 31,正比于電子庫侖相互作用和動能的比值)[62],莫爾周期勢的存在使得廣義維格納晶體更加穩(wěn)定.

圖2 轉(zhuǎn)角TMDs 中的關(guān)聯(lián)絕緣態(tài)的電荷分布示意圖Fig.2.The schematic of the correlated states in twisted TMDs.

多個課題組[41,42,63]在轉(zhuǎn)角半導(dǎo)體TMDs 觀測到了豐富的廣義維格納晶體.Wang 課題組[42]利用3.1 節(jié)中討論的光學(xué)技術(shù)研究了WSe2/WS2在填充因子遠(yuǎn)離1 的情形,在 1/3 和2/3 填充因子處發(fā)現(xiàn)了關(guān)聯(lián)絕緣態(tài),即廣義的維格納晶體(圖2(b),(d)).在這些分?jǐn)?shù)填充時,電荷排布形成了不同于莫爾超晶格平移對稱性的周期性結(jié)構(gòu),例如,在1/3 和2/3 填充因子時,電荷分別形成新的三角晶格和蜂窩晶格.Mak 和Shan 課題組[41]設(shè)計了一種新穎的器件結(jié)構(gòu),將單層WSe2堆疊在轉(zhuǎn)角WSe2/WS2之上,中間用薄層hBN 隔離.研究者利用單層TMDs 中的里德伯激子(2S 激子)作為“探針”,表征了2S 激子反射譜隨莫爾超晶格中電荷濃度的依賴關(guān)系,發(fā)現(xiàn)了許多分?jǐn)?shù)填充因子下的廣義維格納晶體,例如1/3,2/3,1/2,2/5,3/5 等,見圖2.這些維格納晶體也被近場微波阻抗測量所驗證[63].同時,研究者進(jìn)一步研究了WSe2/WS2的光學(xué)克爾效應(yīng),發(fā)現(xiàn)體系在1/2 填充因子時處于條紋態(tài)(stripe phase),打破了莫爾超晶格的旋轉(zhuǎn)對稱性[64],見圖2(c).通過表征WSe2/WS2中磁化率隨電荷濃度的依賴關(guān)系,發(fā)現(xiàn)在2/3 填充因子處由于廣義維格納晶體的形成使得反鐵磁相互作用被極大地減弱[65].Wang 課題組[66]還進(jìn)一步利用STM 直接表征了轉(zhuǎn)角WSe2/WS2中電荷的空間分布隨電荷濃度的依賴關(guān)系,直接觀測到了廣義維格納晶體在1/3 填充因子處呈三角晶格,2/3 填充因子處呈蜂窩晶格,1/2 填充因子呈條紋狀晶格.

4 轉(zhuǎn)角半導(dǎo)體TMDs 中的電子態(tài)調(diào)控

4.1 電子關(guān)聯(lián)性調(diào)控

通過調(diào)控電子關(guān)聯(lián)性,即U/W,可以產(chǎn)生豐富的物理現(xiàn)象.例如,研究者通過計算發(fā)現(xiàn)當(dāng)三角晶格中電子關(guān)聯(lián)性逐漸減弱,填充因子為1 的基態(tài)將從120°非共線反鐵磁,轉(zhuǎn)變?yōu)榉谴判越^緣態(tài),最后變?yōu)橘M(fèi)米液體金屬態(tài),其中非磁性絕緣態(tài)被認(rèn)為是量子自旋液體的候選者[67?69].然而,傳統(tǒng)強(qiáng)關(guān)聯(lián)材料的電子關(guān)聯(lián)性和材料本身鎖定,對其調(diào)控往往需要通過極端的高壓條件改變晶格常數(shù)來實現(xiàn)[70],實驗上較為困難.而莫爾超晶格由于其構(gòu)成材料的豐富性和優(yōu)異的調(diào)控性能,為電子關(guān)聯(lián)性的調(diào)控和新物態(tài)的發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造了新的機(jī)遇.

4.1.1 金屬-絕緣態(tài)相變

多個課題組在轉(zhuǎn)角半導(dǎo)體TMDs 中實現(xiàn)了電子關(guān)聯(lián)性驅(qū)動的金屬-絕緣態(tài)相變[71,50,72].Mak 和Shan 課題組[50]在0°轉(zhuǎn)角的MoTe2/WSe2中實現(xiàn)了對電子關(guān)聯(lián)性的連續(xù)調(diào)節(jié),發(fā)現(xiàn)了莫特絕緣態(tài)-金屬態(tài)的連續(xù)相變.研究者巧妙地利用了 MoTe2/WSe2較大的晶格失配比(～8%),制備了高電荷濃度的莫特絕緣態(tài)(～5×1012cm–2),克服了TMDs和金屬接觸具有極大接觸電阻的難題,為開展高質(zhì)量的電學(xué)輸運(yùn)測量創(chuàng)造了條件.研究者利用外加電場減小MoTe2和WSe2價帶之間的能量間隙,從而等效地增大能帶寬度,發(fā)現(xiàn)莫特絕緣態(tài)連續(xù)地演變成了金屬態(tài).通過標(biāo)度分析,發(fā)現(xiàn)不同電場下的電阻變溫曲線“塌縮”至兩條金屬和絕緣態(tài)的曲線,并確定了量子臨界點(diǎn).同時,Dean 課題組[71]也在轉(zhuǎn)角雙層WSe2中,發(fā)現(xiàn)了電荷摻雜驅(qū)動的金屬-絕緣態(tài)的相變,并發(fā)現(xiàn)電阻在相變點(diǎn)處表現(xiàn)為奇異金屬(strange metal)—電阻隨溫度成線性變化.Mak 和Shan 課題組[72]還進(jìn)一步制備了轉(zhuǎn)角MoSe2/WS2,利用外加電場調(diào)控MoSe2/WS2能帶寬度以及2 S 激子反射譜探測介電常數(shù),發(fā)現(xiàn)了廣義維格納晶體絕緣態(tài)-金屬態(tài)的連續(xù)相變.

4.1.2 拓?fù)浞瞧接沟年P(guān)聯(lián)電子態(tài)

一般認(rèn)為雙層TMDs 同質(zhì)結(jié)中的雙軌道能帶可以構(gòu)造非平庸的拓?fù)鋺B(tài)[52,53,59],而雙層TMDs 異質(zhì)結(jié)中的低能量電子態(tài)(單軌道)一般是拓?fù)淦接沟?例如,雙層MoTe2中價帶頂位于K處(W的及S 的 px和 py軌道),具有巨大的自旋軌道耦合并且層間耦合較弱,具有來自上下兩層的簡并度(軌道簡并度為2),進(jìn)一步通過莫爾超晶格中位置依賴的層間耦合,可以構(gòu)造出層贗自旋(layer-pseudospin)磁場勢,從而具有拓?fù)浞瞧接刮飸B(tài)[53].與雙層MoTe2形成強(qiáng)烈對比的是,在雙層WS2中,由于價帶頂來自布里淵區(qū)中的Γ處(W 的和S 的 pz軌道),價帶電子相互雜化從而層間退簡并,形成了反鍵(antibonding)態(tài)(和高能量的鍵(bonding)態(tài)遠(yuǎn)遠(yuǎn)分開,軌道簡并度為1),從而只具有拓?fù)淦接刮飸B(tài)[73].雖然至今仍然沒有雙層TMDs 同質(zhì)結(jié)中非平庸拓?fù)湮飸B(tài)的實驗報道,令人驚訝的是,Mak 和Shan 課題組[51]在60°轉(zhuǎn)角的MoTe2/WSe2異質(zhì)結(jié)中觀測到了拓?fù)浞瞧接沟年P(guān)聯(lián)電子態(tài).相比于0°轉(zhuǎn)角樣品,在外加電場驅(qū)動下,60°轉(zhuǎn)角的異質(zhì)結(jié)中填充因子為1 的基態(tài)不僅從莫特絕緣態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變到金屬態(tài),在相變附近,還在零磁場下具有整數(shù)化的霍爾電導(dǎo)—量子反?；魻栃?yīng)(電導(dǎo)為e2/h,轉(zhuǎn)變溫度為2 K 左右).研究者還進(jìn)一步在填充因子為2 處發(fā)現(xiàn)了量子自旋霍爾效應(yīng),觀測到了接近整數(shù)化的電導(dǎo)(≈2e2/h,轉(zhuǎn)變溫度為2 K 左右)[74].并且,該體系中MoTe2的價帶較平,提供了局域化空穴,而WSe2的價帶能量色散較大,提供了巡游的空穴.研究者通過分別調(diào)控局域化空穴和巡游空穴的濃度,發(fā)現(xiàn)了重費(fèi)米子的證據(jù),實現(xiàn)了Kondo 晶格[75].

4.2 其他新型的調(diào)控方式

4.2.1 光學(xué)調(diào)控

Xu 課題組[76]設(shè)計和制備了轉(zhuǎn)角WSe2/WS2并利用柵極電壓對其進(jìn)行電荷摻雜,通過共振光學(xué)激發(fā)產(chǎn)生層間激子,發(fā)現(xiàn)體系處于鐵磁態(tài).該鐵磁態(tài)的機(jī)制被認(rèn)為類似于RKKY[77],電荷“浸沒”在層間激子中,并通過其實現(xiàn)了電子在不同晶格位之間自旋關(guān)聯(lián).

4.2.2 庫侖屏蔽調(diào)控

Mak 和Shan 課題組[65]設(shè)計和制備了一種新型的器件結(jié)構(gòu),將薄層金屬二維材料放置于轉(zhuǎn)角WSe2/WS2之上,中間用薄層hBN 隔離,發(fā)現(xiàn)金屬的庫侖屏蔽效應(yīng)可以使轉(zhuǎn)角TMDs 中維格納晶體絕緣態(tài)轉(zhuǎn)變成金屬態(tài),并且原來的反鐵磁相互作用被極大地抑制.

4.2.3 壓力調(diào)控

Wang 課題組[78]發(fā)展了原位調(diào)控壓力的技術(shù),利用光纖頭按壓轉(zhuǎn)角WSe2/WS2從而調(diào)制層間耦合,通過反射譜和熒光譜,發(fā)現(xiàn)了莫爾激子隨著壓力增大不斷紅移.

5 莫爾激子

與電子能帶類似,激子在莫爾周期勢下會形成多個莫爾能帶,從而導(dǎo)致莫爾激子的出現(xiàn).Mac-Donald 課題組[16]通過連續(xù)模型計算了轉(zhuǎn)角TMDs異質(zhì)結(jié)中的激子能帶,研究了莫爾激子的反射譜隨轉(zhuǎn)角的依賴關(guān)系,并發(fā)現(xiàn)莫爾激子具有非平庸的拓?fù)湫?Wang 課題組[79]和Tartakovskii 課題組[80]分別實驗研究了轉(zhuǎn)角WSe2/WS2和轉(zhuǎn)角MoSe2/WS2,通過反射譜測量發(fā)現(xiàn)原本單一的激子反射峰在小角度轉(zhuǎn)角TMDs 中演變?yōu)槎鄠€激子峰,即莫爾激子.Xu 課題組[81]和Li 課題組[82]也各自通過熒光譜測量在轉(zhuǎn)角MoSe2/WSe2中觀測到了莫爾激子的證據(jù).進(jìn)一步,Mak 和Shan 課題組[83]通過電場調(diào)控,在WSe2/WS2中觀測到了層間激子和層內(nèi)激子的強(qiáng)烈雜化效應(yīng).Louie 課題組[84]通過第一性原理計算,并考慮了晶格重構(gòu)效應(yīng),指出轉(zhuǎn)角WSe2/WS2中構(gòu)成莫爾層內(nèi)激子的電子和空穴分布在不同的莫爾晶格位上.Xu 課題組[85]和Liu 課題組[86]各自通過調(diào)控轉(zhuǎn)角WSe2/MoSe2中的電荷濃度,發(fā)現(xiàn)了莫爾激子和電荷耦合形成的莫爾帶電激子.Jin 課題組[87]利用光學(xué)泵浦產(chǎn)生層間激子,同時結(jié)合反射譜測量莫爾激子的能譜變化,尋找到了基于層間激子的玻色莫特絕緣態(tài)的證據(jù).

6 展 望

莫爾超晶格領(lǐng)域在短短幾年間得到了噴涌式的發(fā)展,未來也將充滿豐富的可能性.首先,目前被深入探索的莫爾晶格體系主要集中于石墨烯和TMDs,相比于龐大的二維材料體系仍然十分稀少.探索基于其他二維材料的莫爾超晶格體系(例如,基于斜方晶體二維材料探索二維矩形或一維的莫爾超晶格中的強(qiáng)關(guān)聯(lián)物理[88?90]),對于發(fā)現(xiàn)新物態(tài)和新物理將有著重要作用,這也有待理論和實驗研究者的共同努力.其次,探索新型的莫爾超晶格調(diào)控手段也是一個重要的方向.例如,目前莫爾周期勢主要取決于轉(zhuǎn)角,但是器件制備完成之后轉(zhuǎn)角難以調(diào)控.能否發(fā)展連續(xù)調(diào)控莫爾周期勢的方法,例如壓力[91]和應(yīng)力調(diào)控[92],對于研究莫爾超晶格中的物態(tài)機(jī)理十分重要.同時,莫爾超晶格器件往往具有較為復(fù)雜的器件結(jié)構(gòu),極易出現(xiàn)“氣泡”以及轉(zhuǎn)角不均勻性等缺陷[49,93].如何克服上述困難從而進(jìn)一步提高器件質(zhì)量,將為發(fā)現(xiàn)新物態(tài)創(chuàng)造更多可能性.最后,當(dāng)前已有一些室溫條件下基于轉(zhuǎn)角半導(dǎo)體TMDs 的光電器件的研究[94,95],持續(xù)地探索莫爾超晶格在實際應(yīng)用中的可能性將對于保持整個領(lǐng)域的活力十分重要.