半导体常见的晶体结构

决定半导体材料的基本物理特性，即原子或离子的长程有序的周期性排列。按空间点阵学说，晶体的内在结构可概括为一些相同点在空间有规则地作周期性的无限分布。点子的总体称为点阵，通过点阵的结点可作许多平行的直线组和平行的晶面组。这样，点阵就成网格，称为晶格。由于晶格的周期性，可取一个以格点为顶点、边长等于该方向上的周期的六面体作为重复单元，来概括晶格的特征。固体物理学取最小的重复单元，格点只在顶角上。这样的重复单元只反映晶体结构的周期性，称为原胞。结晶学取较大的重复单元，格点不仅在顶角上，还可在体心和面心上，这样的重复单元既反映晶格的周期性，也反映了晶体的对称性。

常见的半导体的晶体结构有金刚石型、闪锌矿型、纤锌矿型和氯化钠型4种，如图和表所示。在三元化合物半导体中有部分呈黄铜矿型结构，金刚石型、闪锌矿型和氯化钠型结构可看成是由两套面心立方格子套构而成。不同的是，金刚石型和闪锌矿型是两套格子沿体

对角线的1/4方向套构，而氯化钠型则是沿1/2[100]方向套构金刚石晶格中所有原子同种，而闪锌矿和氯化钠晶格中有两种原子闪锌矿型各晶面的原子排布总数目与金刚石型相同，但在同一晶面或同一晶向上，两种原子的排布却不相同。纤锌矿型属六方晶系，其中硫原子呈六方密堆集，而锌原子则占据四面体间隙的一半，与闪锌矿相似，它们的每一个原子场处于异种原子构成的正四面体中心。但闪锌矿结构中，次近邻异种原子层的原子位置彼此错开60°，而在纤锌矿型中，则是上下相对的。采取这种方式使次近邻异种原子的距离更近，会增强正负离子的相互吸引作用，因此，纤锌矿型多出现于两种原子间负电性差大、化学键中离子键成分高的二元化合物中。

层间激子Interlayer excitons（ILXs），电子/空穴对束缚在两个原子薄的层状半导体之间,已经成为研究激子凝聚、单光子发射和其他量子信息应用平台。然而，尽管存在广泛的光谱研究，但关于层间激子的大小、谷结构和莫尔势影响的关键信息，仍然未知。

今日，日本 冲绳科学技术大学院大学（Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University）Keshav M. Dani团队Ouri Karni 斯坦福大学， 国家加速实验室(SLAC National Accelerator Laboratory)等在Nature上发文，报道了在WSe2/MoS2异质结构中，捕获了结合形成层间激子ILX的两个粒子（电子和空穴）的时间分辨和动量分辨分布图像。因此，获得了约5.2nm的层间激子ILX直径（与6.1nm的莫尔晶胞长度相当）及其质心定位的直接测量。这种大尺寸的层间激子ILX，固定在莫尔晶胞内直径仅为1.8nm区域，小于激子本身尺寸。层间激子ILX的这种高度局部化，得到了Bethe–Salpeter方程计算的支持，并证明层间激子ILX，可以在较小的莫尔晶胞内局部化。与较大的莫尔单元不同，这些单元在较大区域上是均匀的，允许形成用于量子技术的局部激发扩展阵列。

Structure of the moiré exciton captured by imaging its electron and hole。

莫尔激子结构的电子和空穴成像。

图1：样品结构和实验配置。

图2：静态和光激发TR-μ-ARPES测量。

图3：层间激子ILX电子和空穴的时间分辨和动量分辨分布。

图4：实空间中的层间激子ILX波函数。

在过渡金属硫化物垂直堆叠后，可以形成二维范德瓦尔斯异质结，其中，第二类型能带结构，促使了空间间接激子产生，即“层间激子”。

该项研究，实验测量了束缚态中电子和空穴动量分布，提供了以前无法获得的关于表征层间激子ILX二体波函数的相对坐标和质心centre of mass COM坐标信息。对层间激子ILX相对坐标的实验测量，提供了其具体尺寸，从而确定了各种多激子过程（如Mott跃迁和激子-激子湮灭）性质和阈值的关键参数。激子质心COM坐标，在其基础物理中也起着重要作用。观察到的局域化，以及当层间激子ILX密度穿过每个莫尔单元时，动量空间加宽的开始，类似于基于杂质的量子点中的激子行为。

这些观测结果，支持了量子技术中的新兴方案，该方案使用了由周期性莫尔势产生的类似量子点的状态阵列。与较大的莫尔周期相比，使用具有小莫尔周期的晶格失配异质双层，具有扩展空间均匀性和对应变场鲁棒性的关键优势。同时，还提出了关于莫尔周期如何影响激子-激子相互作用和莫尔局域化。最后，质心COM分布提供了对激子系综温度的直接访问。结合直接从数据中读取激子密度，该实验测量，为研究多体激子态、及其与关联电子的相互作用以及相应相图，提供了重要的新工具。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04360-y

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-021-04360-y

本文译自Nature。

进展 | 高压下WS₂/MoSe₂异质结中稳定的层间激子

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