半导体堆叠起来时，材料趋于量子化

[据每日科学网站2019年3月7日报道] 由美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）领导的一个研究小组已经开发出一种简单的方法，可以将普通的半导体材料转变为量子计算机——以非凡的电子行为为特点的超薄设备。这种进步有助于革新许多旨在实现节能电子系统的行业，并为新颖的物理学提供平台。

最近在《自然》杂志上在线发表的研究报告描述了这一新方法。该方法将二维材料二硫化钨和二硒化钨层叠在一起，形成具有复杂图案的材料，也称为超晶格。

“这是一个惊人的发现，因为我们没有想到这些半导体材料具有强烈的相互作用。”伯克利实验室材料科学部的凝聚态物理学家兼加州大学伯克利分校物理学教授王峰说。“现在，这项工作已将这些看似普通的半导体带入量子材料领域。”

二维（2D）材料只有一个原子厚，类似于纳米尺寸的构建块，可以任意堆叠形成微小的器件。当两种2D材料的晶格相似且匹配良好时，可形成称为莫尔超晶格的重复图案。

在过去十年中，研究人员一直在研究如何将不同的二维材料结合起来，并通常将石墨烯作为首个研究对象——石墨烯以高效传导热量和电能而闻名。在这项工作中，其他研究人员发现，用石墨烯形成的莫尔超晶格表现出奇异的物理特性，例如当单层石墨烯以恰当的角度排列时的户出现超导性。

王教授领导的这项新研究使用二维材料样品——二硫化钨和二硒化钨——显示单层材料间的扭转角提供了一个“调谐旋钮”，将2D半导体系统转变为具有高度相互作用电子的奇异量子材料。

进入一个新的物理领域

该研究报告的共同主要作者博士后学者陈浩瑾和研究生艾玛·里根，都在加州大学伯克利分校王教授的超快纳米光学组工作。他们使用聚合物基技术制造二硫化钨和二硒化钨样品，测量每个直径仅几十微米的材料薄片，并将其转移到堆叠结构中。

他们在此前的研究中制作了类似的材料样本，但两层材料没有特定的角度堆叠。当他们测量当前研究中使用的新二硫化钨和二硒化钨样品的光学吸收时，极为惊奇。

当光与材料系统的激子具有相同的能量时，二硫化钨/二硒化钨器件中可见光的吸收最大，一个激子由2D半导体中常见的一个电子与一个空穴结合组成。（在物理学中，一个空穴是一个电子可能占据，但当前空置的状态。）

对于研究人员正在考虑的能量范围内的光，他们希望在信号中看到一个与激子能量相对应的峰值。

相反，他们发现他们期望看到的原始峰分裂成三个不同的峰，代表三种不同的激子态。

什么可以将二硫化钨/钨器件中激子态的数量从一到三增加？它是否添加了莫尔超晶格？

为了找到答案，他们的合作者严爱明和亚历克斯-泽特尔在伯克利实验室的分子工厂（一家纳米科学研究机构）使用透射电子显微镜（TEM）来获取二硫化钨/二硒化钨器件的原子分辨率图像来检查材料的晶格是否对齐。

TEM图像证实了他们一直怀疑的东西：材料确实形成了莫尔超晶格。“我们在整个样本中看到了漂亮的重复图案，”里根说。“将实验观察结果与理论模型进行比较后，我们发现莫尔图案在器件周期性地引入了大的势能，因此可能引入奇特的量子现象。”

研究人员接下来计划测量这种新的量子系统如何应用于光电子学，这涉及光学在电子学中的应用；谷电子学，一个可以通过小型化电子元件扩展摩尔定律极限的领域；和超导学，这将允许电子在器件中几乎没有电阻的流动。

亚利桑那州立大学和日本国家材料科学研究所的研究人员也参与了这项研究。这项工作得到了美国能源部科学办公室的支持。国家科学基金会、国防部和日本MEXT以及JSPS KAKENHI开展的元素战略计划提供了额外资金。分子工厂是美国能源部科学办公室的用户设施。（工业和信息化部电子第一研究所  张慧）

本文封面图来源于图虫创意