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北京大学高宇南/冯济团队Phys. Rev. Lett.: WSe2/MoSe2/WSe2异质三层中的亮和暗四极激子

时间：2023-11-12 来源： 浏览：

北京大学高宇南/冯济团队Phys. Rev. Lett.: WSe2/MoSe2/WSe2异质三层中的亮和暗四极激子

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2023年10月30日，Phys. Rev. Lett.在线发表了北京大学高宇南研究员和冯济教授 课题组的研究论文，题目为《 Bright and Dark Quadrupolar Excitons in the W Se 2 /MoSe 2 /WSe 2 Heterotrilayer 》。

过渡金属硫族化合物（TMD）异质结作为研究激子物理的 一个 平台 得到了广泛的研究 。 由于介电屏蔽减弱导致激子有更高的结合能，单层和少层TMD中显现出多种稳定的激子形态 ，包括中性激子、带电激子、双激子、层间激子等。其中，在不同TMD堆垛形成的二维异质结中，层间激子具有永久偶极矩，所以它们的种类、相互作用和运动可通过静电场方便地进行调控。 虽然W Se 2 /Mo Se 2 等异质双层受到了极大的关注，但 对于可能提供新的激子种类和相以及独特物理性质的 异质三层材料的研究相对较少。

在此研究中， 作者对 W Se 2 /MoSe 2 /WSe 2 异质 三层器件中四极激子（QXs）的发射性质进行了理论和实验研究，这是一种新预测的激子类型。研究发现表明， QXs的光学亮度或暗度是由水平镜 像 对称性、谷和自旋选择规则决定的 。此外， 由于空穴分布和 Stark 效应的变化，可以通过施加面外电场来 调节 亮和暗QXs的发射强度和能量 。这项研究结果不仅为异质三层中QXs的存在提供了实验证据，而且揭示了它们的新性质，这有可能推动基于激子新应用的发展。

图1  (a) W Se 2 /MoSe 2 /WSe 2 异质三层中电子和空穴的构型示意图；(b) 异质三层的HH-ABA堆垛类型；(c) 由 镜像对称性 引起的光学选择规则是有效的

图2  (a) 双栅极器件示意图；(b) 层间激子发射强度随光子能量和栅极电压差 (ΔV) 的变化；(c) 温度变化时电荷分布示意图；(d) ΔV = 2 V时中性掺杂下层间激子的温度依赖PL光谱

图3 (a) 自旋单重态和自旋三重态四极激子的 不同谷极化 ；(b) 80 K 时中性掺杂区中ΔI激发随发射能量和ΔV的变化；(c) ΔV = 28 V时四极激子的谷极化PL谱

图4 (a) 通过高斯拟合提取高能层间激子的峰值能量；(b) 高能层间激子的归一化积分PL强度和理论模型结果；(c) 不同ΔV下高能层间激子的时间分辨PL；(d) 不同ΔV下 提取的场敏感元件的寿命和强度

【 论文链接 】
Xie, Y., Gao, Y., Chen, F. et al. Bright and Dark Quadrupolar Excitons in the W Se 2 /MoSe 2 /WSe 2 Heterotrilayer . Phys. Rev. Lett. , 2023 , 131, 186901. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.186901

【其他相关文献】

[1] Lian, Z., Chen, D., Ma, L. et al. Quadrupolar excitons and hybridized interlayer Mott insulator in a trilayer moiré superlattice. Nat. Commun ., 2023 , 14, 4604. https://doi.org/10.1038/s41467-023-40288-9
[2]  Slobodkin, Y. Mazuz-Harpaz, Y. Refaely-Abramson, S. et al. Quantum Phase Transitions of Trilayer Excitons in Atomically Thin Heterostructures. Phys. Rev. Lett ., 2020 , 125, 255301. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.255301
瑞典查尔姆斯理工大学Nat. Commun.: MoSe2/WSe2中层间激子的局域性和相互作用
伦斯勒理工学院Nat. Commun.: 半导体莫尔超晶格中莫尔态间的激子叠加
澳大利亚国立大学卢曰瑞团队Nature:独立WS2/WSe2双层中层间激子相互作用的增强

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