研究透视：深紫外发光-莫尔量子阱，六方氮化硼hBN | Science

二维范德华van der Waals (vdW) 半导体的转角堆叠形成了莫尔超晶格，为实现对量子态及其光-物质相互作用的前所未有的调控提供了可能。

近日，韩国基础科学研究院/韩国浦项科技大学联合德国马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所在Science上发文，在两个六方氮化硼单晶块体之间构建了简单的转角界面，即可形成嵌入三维范德华结构中的莫尔量子阱。

在光激发和电注入下，六方氮化硼莫尔量子阱均能强有力地约束电荷载流子。尽管具有间接带隙，但能在215至240纳米的极短波长波段，发射出了强烈的深紫外发光，强度超过目前最先进的传统氮化铝镓多量子阱一个数量级以上。此外，通过调控转角，可以实现对莫尔量子阱发光能量和效率的广泛调谐。

第一作者：Chengyun Hong，Fangzhou Zhao

通讯作者：Moon-Ho Jo，Angel Rubio，Jonghwan Kim

通讯单位：韩国基础科学研究院，韩国浦项科技大学，德国马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所

Highly efficient, deep-ultraviolet luminescence in hBN moiré quantum wells.

六方氮化硼莫尔量子阱中的高效深紫外发光

hBN块体扭转界面处莫尔量子阱的形成

图1. hBN莫尔量子阱中强烈的深紫外发光。（A）扭转角为θ的扭转hBN块体晶体示意图。（B）扭转界面附近的原子结构示意图。单个hBN块体沿z方向以AA′堆叠顺序堆叠。（C和D）分别显示H型和R型莫尔超晶格中原子重构的暗场透射电子显微镜图像。（E和F）H型和R型莫尔量子阱扭转界面处x-y平面内重构超晶格畴的示意图。在H型和R型中，激子分别局域在AB2′和AA堆叠畴中。（G）H型莫尔量子阱中的局域界面堆叠构型——AA′、AB1′和AB2′。虚线代表扭转堆叠界面。（H）R型莫尔量子阱中的局域界面堆叠构型——AA、AB和BA。（I）在10 K温度下，使用6.2 eV激光激发，测量H型莫尔量子阱、R型莫尔量子阱、AA′堆叠的hBN块体晶体以及氮化铝镓多量子阱的深紫外光致发光光谱。（J）扭转角约为0.1度的R型和H型莫尔超晶格的开尔文探针力显微镜图像。比例尺：3 μm。（K）与图1J中黑色方形区域对应的放大开尔文探针力显微镜图像。（L和M）图1J所示区域中，分别对应5.48 eV和5.53 eV发射峰的空间分辨光致发光图谱。

图2. hBN莫尔量子阱中高效且可调的深紫外发光。（A至C）扭转角分别约为0.1°、0.2°和0.5°的R型扭转块体hBN的开尔文探针力显微镜图像。（D）R型莫尔量子阱的光致发光光谱随扭转角（从<0.01°至8.4°）的变化。（E）H型莫尔超晶格的光致发光光谱随扭转角（从0°至13.3°）的变化。（F和G）R型（F）和H型（G）莫尔量子阱的光致发光外量子效率随扭转角的变化。（H）H型、R型莫尔量子阱、AA′堆垛块体晶体以及氮化铝镓多量子阱的光致发光外量子效率随激发功率的变化。

图3. hBN莫尔量子阱的深紫外飞秒激光光谱学。（A和B）分别在高于（A）和低于（B）AA′堆垛hBN块体带隙的激光激发能量下，莫尔量子阱中的光激发过程示意图。（C）H型、R型莫尔量子阱以及AA′堆垛hBN块体在激光激发能量E_laser = 6.2 eV（高于带隙）和E_laser = 5.9 eV（低于带隙）下的光生载流子激发动力学。图中同时显示了仪器响应函数以作对比。（D）H型、R型莫尔量子阱以及AA′堆垛hBN块体中的光生载流子弛豫动力学。（E至G）分别为AA′堆垛hBN块体（E）、H型莫尔量子阱（F）和R型莫尔量子阱（G）的光致发光激发光谱图。（H至J）沿（E）至（G）中虚线提取的光致发光激发光谱，并与相应的光致发光光谱叠加。（H）中的插图示出了hBN中的光学过程示意图。（K至M）光致发光光谱，绘制为（H）至（J）中间接带隙与光致发光发射峰之间能量偏移的函数。

图4. hBN莫尔量子阱的准粒子能带结构与激子光学带隙。（A至E）具有AA′（A）、AB1′（B）、AB2′（C）、AA（D）和AB（E）层间堆垛的双层AA′堆垛hBN五层体系的G₀W₀能带结构。红色和蓝色实线分别表示最低导带和最高价带。黑色箭头标示相应的准粒子间接带隙。插图示出扭转界面处的示意性原子构型。（F）计算得到的双层hBN五层体系中所有可能堆垛构型的最低间接激子能量。蓝色和红色叉号分别对应G₀W₀-BSE和GW-BSE计算结果。红色圆圈标记实验测量的间接激子能量。