在一個由不同厚度的TMD薄片內的電荷載體的示意圖。 在共振光激發到較高狀態（粉紅色）時，可以激發處於基態（藍色）的電荷載流子。圖片來源：ICFO / Fabien Vialla
半導體異質結構是電子和光電子學發展的關鍵。紅外和太赫茲頻率範圍中的許多應用利用半導體量子阱中的量子化狀態之間的躍遷（稱為子帶間躍遷）。這些帶內轉換表現出非常大的振盪強度，接近於1。他們在III-V半導體異質結構中的發現描繪了凝聚態物理學界的巨大影響，並引發了量子阱紅外光電探測器以及量子級聯激光器的發展。
通常通過分子束外延（結晶層的順序生長）來製造最高質量的量子阱，這是一種成熟的技術。然而，它有兩個主要限制：需要進行晶格匹配，限制材料的自由選擇，和熱生長導致原子擴散並增加界面粗糙度。
二維材料可以克服這些限制，因為它們自然地形成具有原子級銳利界面的量子阱。它們提供無缺陷和原子級清晰的界面，能夠形成理想的量子阱，沒有擴散的不均勻性。它們不需要在匹配的襯底上進行外延生長，因此可以容易地隔離並耦合到其他電子系統，例如Si CMOS或光學系統，比如腔和波導。
令人驚訝的是，以前少層二維材料中的子帶間躍遷從未被研究過，無論是在實驗上還是在理論上。因此，在最近發表在Nature Nanotechnology上的一項研究中，ICFO研究員Peter Schmidt，Fabien Vialla，Mathieu Massicotte，Klaas-Jan Tielrooij，Gabriele Navickaite，由ICFO Frank Toppens教授領導，與InstitutLumièreMatière - CNRS合作，丹麥技術大學，馬克斯普朗克物質結構與動力學研究所，CIC nanoGUNE和國家石墨烯研究所，報告了對少層半導體量子阱中的2D材料（TMD）子帶間躍遷的第一次理論計算和第一次實驗觀察。
在他們的實驗中，研究人員應用散射掃描近場光學顯微鏡（s-SNOM）作為一種創新方法來測量光譜吸收，其空間分辨率低於20 nm。他們剝離TMDs包括不同層厚度約幾微米。他們直接在單個器件中觀察到這些不同量子阱厚度的子帶間諧振。他們還對電荷載流子密度進行了靜電調整，並證明了在價帶和導帶中的子帶間吸收。通過詳細的理論計算補充和支持了這些觀察結果，並揭示了多體和非局部效應。
這項研究的結果為這一新型材料的未開發領域鋪平了道路，並首次提供了二維材料中子帶間躍遷所帶來的物理和技術，如紅外探測器，光源和可能與Si CMOS集成的激光器。
原文鏈接：（https://www.sciencedaily.com/releases/2018/08/180827134434.htm）
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