二维过渡金属硫化物（TMDs）因其独特的原子层结构、可调的带隙特性以及优异的载流子输运性能，在新型微纳电子和光电器件领域展现出巨大潜力。然而，单层TMDs固有的低态密度和强量子限制效应制约了其在高性能器件中的应用。针对这一挑战，研究者已开发出外延生长优化、化学掺杂调控和介电环境工程等多种迁移率增强策略。值得注意的是，双层TMDs在保持较高迁移率的同时，展现出显著增强的态密度和结构稳定性，但其内在的载流子输运增强机制仍待系统阐释。
复杂的是，TMDs的电子结构对层间堆叠方式极为敏感，特别是层间耦合与莫尔超晶格效应的协同作用对材料性能具有决定性影响。实验表明，不同堆叠构型（如3R相的0°堆叠和2H相的60°堆叠）会导致迁移率的显著差异，但莫尔势与层间耦合如何共同调控双层TMDs的载流子动力学仍缺乏统一的理论解释。尽管已有研究分别探讨了莫尔势对激子输运的调制作用以及层间耦合对能带结构的影响，但二者在真实器件环境中的协同作用机制及其对器件性能的优化路径仍需深入探索。这一问题的阐明将为设计高性能二维材料器件提供关键理论支撑。
针对上述问题，国家纳米科学中心
刘新风
研究员团队，联合湖南大学
潘安练
教授团队在双层WS
2
中堆叠角度依赖的激子迁移率方面取得新进展。研究团队提出了一种削弱衬底效应、增强激子扩散的转角堆叠双WS
2
体系。研究团队通过稳态/瞬态光学技术（荧光/吸收光谱、拉曼与瞬态光谱及成像系统）系统表征了层间耦合的强度及其对材料性能的影响，发现强层间耦合显著增强了激子的去局域化和扩散传输。相关成果发表在
Nano Letters
上。国家纳米科学中心联合培养博士生
钟阳光
为文章第一作者，
刘新风
研究员、
潘安练
教授、
岳帅
副研究员，
陈舒拉
教授为通讯作者。
图1. 具有不同堆叠角度的双层WS
2
中的激子传输和结构特性。（a）双层WS
2
中的激子传输示意图。在激发下，激子在层间分离，层间耦合由红色条带表示。（b）0°（上图，刻度线：1nm）和25°（下图，刻度线：2nm）样品的高分辨率TEM图像。莫尔纹清晰可见。（c）不同扭曲角度下双层WS
2
的室温稳态反射光谱。与25°样品相比，0°和60°样品的激子吸收峰有明显的重移，表明层间耦合更强。（d）0°和25°样品的拉曼光谱，分别拟合了面内E
2
g
模式和面外A
1
g
模式。插图显示了A
1g
峰的振动模式。（e）0°和25°样品在室温下的光致发光光谱。红色区域突出显示了间接带隙重组位置。
三、研究内容：
基于瞬态反射成像（TRM）技术，研究团队首次系统性地揭示了堆叠角度对激子迁移率和扩散长度的调控作用，实验结果显示，在0°堆叠时，迁移率和扩散长度分别达到最大值87.3
cm
2
/Vs和~1.06mm。
为深入解析莫尔势对激子输运的调控规律，研究团队基于热激活模型对莫尔势阱特征参数进行了定量表征，拟合结果表明体系具有16.7meV的平均莫尔势阱深度，这一关键参数直接证实了莫尔势对激子迁移率的主导调控作用。更重要的是，通过高时空分辨的瞬态反射光谱（TRS）技术，研究人员首次揭示了堆叠角度-层间耦合-莫尔势的三重协同调控机制：特定的堆叠构型不仅通过改变层间电子耦合强度直接影响激子能级结构，同时会重构莫尔势场分布，并与界面衬底效应形成协同作用，最终实现对激子扩散动力学行为的精准调控。
该研究在理论层面建立了二维材料中激子输运的多物理场耦合模型，为理解范德华异质结中的激子调控机制提供了全新视角；在应用层面，所揭示的"结构-势场-动力学"关联规律为设计高性能二维光电器件（如激子晶体管、量子光源等）提供了明确的材料优化方向和器件设计准则。这些创新发现不仅推动了二维材料基础物理的发展，也为下一代纳米光电子技术的突破奠定了重要基础。
图2.
双层WS
2
的瞬态反射显微镜和迁移率分析。（a）0°堆叠双层WS
2
样品的光学图像，红色虚线圆圈表示瞬态反射成像实验中的泵浦区域。（b）瞬态反射成像在不同时间间隔内的变化。（c）不同时间的反射成像的横向轮廓。（d）（c）中高斯拟合提取的高斯分布方差的变化。（e）单层和其他不同角度的激子/载流子迁移率数据，我们的数据用五角星符号表示，前人研究的迁移率数据作为对比。
图3. 莫尔势对25°堆叠角的双层WS
2
中激子扩散的影响。（a）不同堆叠角度莫尔势的示意图。（b）0°和25°叠角双层WS
2
的功率依赖迁移率拟合。（c）0°和25°样品的功率依赖迁移率对比。（d）25°叠层
样品在0.13 μJ/
cm
2
、0.27 μJ/
cm
2
和0.33 μJ/
cm
2
泵功率下的随功率变化的瞬态反射光谱。（e）以红色实线为拟合数据的激子动力学。（f）双指数拟合得出的寿命，实线为引导线。
该项工作得到了国家重点研发计划、中国科学院战略性先导研究计划、国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金等项目支持。
Authors:
Yangguang Zhong, Shuai Yue*, Jieyuan Liang, Long Yuan, Yuexing Xia, Yubo Tian, Yuanyuan Zheng, Yuyang Zhang, Wenna Du, Dong LiShula Chen*Anlian Pan*Xinfeng Liu*
Title:
Twist Angle-Dependent Exciton Mobility in WS2 Bilayers
Published in:
Advanced Functional Materials
,
doi:
10.1002/adfm.202419366
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