我院徐红星院士、江浩庆研究员团队在《ACS Nano》发表重要研究成果 揭示扭转角对二维异质结电荷传输动力学的关键调控作用

近日，河南科学院激光制造研究所徐红星院士、江浩庆研究员联合浙江大学、美国加州州立大学郭宏礼研究员、武汉大学王倜研究员等合作者，在国际权威学术期刊《ACS Nano》上发表了题为《Small Twist Angles Accelerate Electron and Hole Transfer in MoSe2/WSe2 Heterostructures》的研究论文。该研究通过精密实验与理论计算相结合，首次系统揭示了扭转角对范德华（vdW）异质结构中层间电荷转移动力学的显著调控规律，为基于“扭转角工程”设计高性能光电子与量子器件提供了重要科学依据。

范德华异质结构是由二维材料通过范德华力堆叠构成的新型人工材料体系，是研究新奇物理现象和开发下一代光电子器件的理想平台。层间电荷转移是形成层间激子的关键步骤，直接影响其光电性能。此前研究普遍认为层间电荷转移对堆叠扭转角不敏感。

本研究聚焦MoSe₂/WSe₂范德华异质结构。采用高质量的样品制备技术，最大限度地保证了样品的均匀性。利用超快泵浦-探针技术和瞬态吸收显微镜（TAM），团队对不同扭转角样品中的层间电荷转移动力学进行了精确测量。研究发现：电子和空穴的层间传输速率均强烈依赖于扭转角，二者均在0°和60°扭转角时达到最快，在30°附近达到最慢。具体而言：空穴的平均传输时间在0°时约为100飞秒，30°时超过400飞秒，60°时约为150飞秒；电子的平均传输时间在0°时约为30飞秒，30°时约为100飞秒，60°时约为35飞秒。空穴传输速率约为电子的三分之一，且其对扭转角变化的敏感性更高。

为阐明上述现象的物理机制，研究团队进行了系统的第一性原理密度泛函理论（DFT）计算。计算结果表明：在0°或60°扭转角下，两层材料布里渊区中关键高对称点之间的能量差最小；同时，与层间电荷转移直接相关的特定高对称点（电子的Q点和空穴的Γ点）表现出最强的层间杂化。这种增强的杂化作用有效促进了电子和空穴的层内散射过程，从而显著提升了其层间传输速率。

该项研究首次通过严谨的实验和理论相结合的方式，清晰阐明了扭转角通过调控布里渊区高对称点能级匹配度和层间杂化强度，进而影响范德华异质结中层间电荷转移动力学的微观机制。这一发现突破了以往认为层间电荷转移对扭转角不敏感的传统认知，具有重要的科学意义和应用价值。同时也为未来通过精确设计和控制扭转角，开发高性能、可调控的新型光电子器件和量子信息器件指明了方向，有望推动相关领域的科技进步。

文章链接为：

Small Twist Angles Accelerate Electron and Hole Transfer in MoSe2/WSe2 Heterostructures. ACS Nano, 2025, 19, 12138–12145. https://doi.org/10.1021/acsnano.4c18675