Nat. Commun.：石墨烯WS2异质结中层间等离子体极化子的观察

研究背景

具有预制晶格失配和层间扭转角的二维（2D）晶体的复杂异质结，已成为在固态量子模拟器中定制势能表面和激发的有广泛前景平台。这些系统利用复杂晶格结构和量子态的精细控制，但是材料间的紧密接触可能会进一步引发额外的层间相关效应。例如，在由石墨烯和半导体过渡金属二硫属化物（TMD）组成的异质结中，超晶格能带的产生伴随着屏蔽引起的能带偏移，该偏移决定了准粒子能带排列和带隙。有趣的是，最近的实验表明扭曲双层石墨烯与单层（SL）WSe₂界面存在更丰富的相互作用，因为SL WSe₂的存在稳定了双层魔角扭转石墨烯的超导性。在SL WS₂与拓扑绝缘体Bi₂Se₃接触中，检测到层间激子—声子束缚态。此类观测结果表明涉及玻色子模式的层间集体激发的重要性。正如在由极性材料组成的各种晶体和界面中观察到的，这些层间集体激发可能导致极化准粒子的形成，并极大地影响电荷传输、表面反应活性、热电和光学性质。类似地，当电荷密度的振荡耦合到传导电子时，会出现更难以捉摸的等离激元极化子，这已在电子掺杂半导体和石墨烯中检测到。

成果介绍

鉴于此，奥胡斯大学（Aarhus University）的Søren Ulstrup, 拉德堡德大学（Radboud University）的Malte Rösner和卡内基梅隆大学（Carnegie Mellon University）Jyoti Katoch及其团队发表了题为“Observation of interlayer plasmon polaron in graphene/WS₂ heterostructures”的工作在Nature Communications期刊上。这篇报道在石墨烯/SL WS₂异质结中发现了层间等离子体极化子。通过在原位掺杂顶层石墨烯的同时使用微区聚焦角分辨光电子能谱，观察到了一个强烈的准粒子峰，围绕单层WS₂的导带最小值伴随着几个与载流子浓度有关的振动伴带（shake-off bands）。该结果可以用一种预期的多体模型来解释，即SL WS₂的导电电子与层间等离子体模式发生耦合。它们对涉及二维过渡金属硫化物的众多器件结构的电子和光学性质有深远影响，因此考虑到这种层间集体行为的存在非常重要。

图文导读

图 1：电子掺杂 WS₂ 异质结的准粒子能带。a. 通过钾原子沉积实现掺杂的示意图。b. SL WS₂ 的布里渊区（BZ），虚线为ARPES测量方向。c. hBN上的单一（左图）和加钾 WS₂（右图）的ARPES光谱。d. c中标记的CBM区域的局部放大。e, f. 顶部带有石墨烯的WS₂的相应ARPES光谱。

图 2：振动伴带的掺杂依赖性。 a. 在给定石墨烯电子浓度下掺钾的石墨烯/WS₂异质结中，导带最小值区域的二阶导光电子能谱。b. 能量分布曲线（EDCs），采用洛伦兹峰形在线性背景上拟合。 c. 石墨烯狄拉克锥体和费米面（虚线圆）的示意图。 d. 在掺钾WS₂上的石墨烯的ARPES谱。 e. 从分析结果中提取出的振动伴带能量间隔随着石墨烯掺杂浓度的增加而增大。

图 3. 理论计算结果。a, b. 等离子体色散ω_q和电子—等离子体耦合a_q²随各种v的变化。 c-e, 在K点，对应系列v值WS₂常规态谱函数在G₀W₀理论（绿色虚线）和G₀W₀+C理论（红色实线）下的能量分布曲线。f. WS₂导带最小值与第一振动伴带间的能量分裂ΔE随v变化，分别用G₀W₀理论（绿色虚线）和G₀W₀+C理论（红色实线）计算。

图 4. WS₂中库仑相互作用及其在石墨烯/WS₂异质结中的屏蔽通道的示意图。波浪线和泡泡分别代表纯库仑相互作用和极化过程。a. 只考虑WS₂自身的库仑相互作用和屏蔽。b. WS₂中电子的库仑相互作用只被石墨烯的极化过程屏蔽。c. WS₂和石墨烯混合的屏蔽通道示意图。

总结展望

本报道的结果清楚地强调了完整的异质结相关性，尤其是层间库仑耦合在促进WS₂层形成等离子体极化子带方面的作用。石墨烯层起到缓冲作用，减弱了WS₂层的掺杂，同时与WS2电子强烈耦合，提供了一种层间等离子体模式，并导致等离子体极化子的形成。这些层间等离子体模式对石墨烯占据情况的敏感性导致了等离子体极化子振动副带位置的高度可调谐性。在G₀W₀近似下缺失更高阶振动副带，证明了需要进行顶点修正，故在此采用了G₀W₀+C方法。

这一发现的影响可能是深远的，因为石墨烯和过渡金属硫化物的界面已被用于各种应用：例如诱导大的自旋轨道邻近效应，稳定双层石墨烯/WSe₂界面的魔角扭转下的超导性，或通过与石墨电极接触控制过渡金属硫化物异质双层中的载流子实现维格纳晶体和离散莫特态。因此，本报道观察到的由层间库仑耦合与接触石墨烯层注入电荷而诱导的层间极化子类夸克准粒子，在解释和建模器件测量时将是需要考虑的重要因素。此外，需要进一步的实验来评估它们对异质结的光电性能和带工程，以及对于超薄光子学和等离子体器件的应用潜力。

文献信息

Ulstrup, S., in ’t Veld, Y., Miwa, J.A. et al. Observation of interlayer plasmon polaron in graphene/WS₂ heterostructures. Nat Commun 15, 3845 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-48186-4

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-48186-4