Light-Matter Coupling in Scalable Van der Waals Superlattices
Pawan Kumar, Jason Lynch, Baokun Song, Haonan Ling, Francisco Barrera, Huiqin Zhang, Surendra B. Anantharaman, Jagrit Digani, Haoyue Zhu, Tanushree H. Choudhury… 展开作者
Pawan Kumar, Jason Lynch, Baokun Song, Haonan Ling, Francisco Barrera, Huiqin Zhang, Surendra B. Anantharaman, Jagrit Digani, Haoyue Zhu, Tanushree H. Choudhury, Clifford McAleese, Xiaochen Wang, Ben R. Conran, Oliver Whear, Michael J. Motala, Michael Snure, Christopher Muratore, Joan M. Redwing, Nicholas R. Glavin, Eric A. Stach, Artur R. Davoyan, Deep Jariwala
Two-dimensional (2D) crystals have renewed opportunities in design and assembly of artificial lattices without the constraints of epitaxy. However, the lack of thickness control in exfoliated van der Waals (vdW) layers prevents realization of repeat units with high fidelity. Recent availability of uniform, wafer-scale samples permits engineering of both electronic and optical dispersions in stacks of disparate 2D layers with multiple repeating units. We present optical dispersion engineering in a superlattice structure comprised of alternating layers of 2D excitonic chalcogenides and dielectric insulators. By carefully designing the unit cell parameters, we demonstrate > 90 % narrowband absorption in < 4 nm active layer excitonic absorber medium at room temperature, concurrently with enhanced photoluminescence in cm2 samples. These superlattices show evidence of strong light-matter coupling and exciton-polariton formation with geometry-tunable coupling constants. Our results demonstrate proof of concept structures with engineered optical properties and pave the way for a broad class of scalable, designer optical metamaterials from atomically-thin layers.
Electronic and Thermal Properties of $\text{GeTe/Sb}_{2}\text{Te}_{3}$ Superlattices by ab-initio Approach: Impact of Van der Waals Gaps on Vertical Lattice Thermal Conductivity
在过去的十年中，一些工作已经集中在探索$\text{GeTe/Sb}_{2}\text{Te}_{3}$超晶格（SL）的材料和电学性质，特别是因为一些第一器件实现展示了有趣的性能，如快速开关速度，低能耗，和非易失性。然而，这种基于SL的设备中的切换机制仍在争论中。在这项工作中，我们研究的原型$\text{GeTe/Sb}_{2}\text{Te}_{3}$ SL，从根本上分析其电子和热性质的从头计算方法。我们发现，电阻对比度是小的$\text{GeTe/Sb}_{2}\text{Te}_{3}$，因为一个小的电子间隙（约0.1 eV）和随之而来的半金属般的行为的不同阶段之间。同时，面外晶格热导率相当小，而在不同相之间变化高达四倍，从0.11到0.45 W/m $^{-1}$ K $^{-1}$，与单元块中的范德华（VdW）间隙的数量密切相关。这些发现证实了在$\text{GeTe/Sb}_{2}\text{Te}_{3}$超晶格器件中可实现的热改进的重要性，突出了材料堆叠的影响和VdW间隙对相变存储器单元的热工程的作用。
A van der Waals antiferromagnetic topological insulator with weak interlayer magnetic coupling
磁性拓扑绝缘体（TI）是研究量子反常霍尔效应（QAH）和马约拉纳模（Majorana模）等量子现象的重要材料平台，其成功的材料实现对我们的基本认识和潜在的技术革命至关重要。通过实现具有交替的七层[MnBi 2 Te 4]和五层[Bi 2 Te 3]层的体材料MnBi 4 Te 7，我们表明它在平面内是铁磁的，但沿c轴是反铁磁的，在2 K时的面外饱和场为~ 0.22 T.我们的角分辨光电子能谱测量和第一性原理计算进一步证明了MnBi 4 Te 7是一个Z2反铁磁TI与两种类型的表面状态与[MnBi 2 Te 4]或[Bi 2 Te 3]终止，分别。此外，其超晶格性质可以通过剥离使[MnBi 2 Te 4]和[Bi 2 Te 3]层的各种异质结构成为可能。因此，MnBi_4Te_7的低饱和场和超晶格性质使其成为研究丰富涌现现象的理想体系。
Polymer-free van der Waals assembly of 2D material heterostructures using muscovite crystals
Institute for Functional Intelligent Materials, National University of Singapore（新加坡国立大学功能智能材料研究所）；Department of Materials Science and Engineering, National University of Singapore（新加坡国立大学材料科学与工程系）
Quasicrystalline 30° Twisted Bilayer Graphene as an Incommensurate Superlattice with Strong Interlayer Coupling
层间耦合可用于设计范德华异质结构（超晶格）的电子结构，以获得单一材料中不可能的特性。到目前为止，异质结构的研究一直集中在具有长程莫尔周期的公度超晶格上。具有旋转对称性但不具有平移对称性的无公度异质结构（类似于准晶）不仅在自然界中罕见，而且由于缺乏相位相干性，层间相互作用通常被认为是可以忽略的。本文报道了在Pt（111）衬底上成功生长的准晶态30°扭曲双层石墨烯（30°-tBLG），并揭示了其电子结构。低能电子衍射和1383 cm $^{-1}$处的谷间双共振喇曼模式证实了30°-tBLG。此外，每个石墨烯层的布里渊区内部镜像狄拉克锥的出现以及区边界处的间隙开口表明这两个石墨烯层经由广义Umklapp散射机制耦合，即一个石墨烯层中的狄拉克锥通过另一个石墨烯层的倒易晶格矢量的散射。我们的工作突出了层间耦合在无公度准晶超晶格中的重要作用，从而将能带结构工程扩展到无公度超结构。
Interlayer Coupling Driven Correlated and Charge-Ordered Electronic States in a Transition Metal Dichalcogenide Superlattice
Wuhan University（武汉大学）；Hubei University（湖北大学）；Hunan University（湖南大学）；ShanghaiTech University（上海科技大学）；University of Oxford（牛津大学）；Institute of Physics, Chinese Academy of Science（中国科学院物理研究所）；Nanjing University（南京大学）；Wuhan Institute of Quantum Technology（武汉量子技术研究院）
High-spin orbital interactions across van der Waals gaps controlling the interlayer ferromagnetism in van der Waals ferromagnets
我们研究了什么样的相互作用控制范德华铁磁体（如Fe 3-xGeTe 2，Cr2 Ge 2 Te 6，CrI 3和VI 3）中层间耦合的符号和强度，发现范德华能隙中的高自旋轨道相互作用是理解其铁磁性的关键。Fe_（3-x）GeTe_2Cr_2Ge_2 Te_6和Cr_I_3的层间铁磁耦合是由高自旋双轨道双电子不稳定性控制的，而VI_3的层间铁磁耦合是由高自旋四轨道双电子不稳定性控制的。这些相互作用解释了范德瓦尔斯铁磁体中许多看似令人困惑的观测结果。
Van der Waals density functional: Self-consistent potential and the nature of the van der Waals bond
我们导出了对应于非定域范德华密度泛函的交换关联势[M。迪翁，H。Rydberg，E. Schroder，D. C. Langreth，和B. I. Lundqvist，《物理评论快报》92，246401（2004）]。我们使用这种潜在的自洽计算的基态属性的一些范德华络合物以及晶体硅。对于后者，很少或没有范德华相互作用的预期，我们发现，结果主要是由半局部交换和相关性在标准的广义梯度近似（GGA），与完全非局部项几乎没有影响。另一方面，我们的研究结果表明，范德瓦尔斯复合物的自洽在平衡分离的影响不大。这一发现验证了以前的计算与相同的功能，治疗完全非本地项作为一个后GGA扰动。我们的结果与波函数计算的比较表明，我们的方法的实用性。交换相关势也使我们能够计算赫尔曼-费曼力，从而提供了有效的几何弛豫方法，并释放了依赖于自洽电荷分布的其他标准技术的潜在用途。范德瓦尔斯键的性质进行了讨论的自洽键电荷。
Columbia University（哥伦比亚大学）；Brookhaven National Laboratory（布鲁克海文国家实验室）；Seoul National University（首尔国立大学）；Pacific Northwest National Laboratory（太平洋西北国家实验室）；Oak Ridge National Laboratory（橡树岭国家实验室）；Florida State University（佛罗里达州立大学）
