Band alignments, conduction band edges and intralayer bandgap renormalisation in MoSe2/WSe2 heterobilayers

材料科学 带隙 凝聚态物理 角分辨光电子能谱 堆积 兴奋剂 直接和间接带隙 半金属 电子能带结构 半导体 波段图 准费米能级 电子 电子结构 光电子学 物理 核磁共振 量子力学
作者
Abigail Graham,Paul Nguyen,Heonjoon Park,J. Nunn,V. Kandyba,Mattia Cattelan,A Giampietri,Alexei Barinov,Xiaodong Xu,David Cobden,Neil R. Wilson
出处
期刊:2D materials [IOP Publishing]
卷期号:11 (4): 045021-045021 被引量:7
标识
DOI:10.1088/2053-1583/ad7b51
摘要

Abstract Stacking two semiconducting transition metal dichalcogenide (MX 2 ) monolayers to form a heterobilayer creates a new variety of semiconductor junction with unique optoelectronic features, such as hosting long-lived dipolar interlayer excitons. Despite many optical, transport, and theoretical studies, there have been few direct electronic structure measurements of these junctions. Here, we apply angle-resolved photoemission spectroscopy with micron-scale spatial resolution ( µ ARPES) to determine the band alignments in MoSe 2 /WSe 2 heterobilayers, using in-situ electrostatic gating to electron-dope and thus probe the conduction band edges. By comparing spectra from heterobilayers with opposite stacking orders, that is, with either MoSe 2 or WSe 2 on top, we confirm that the band alignment is type II, with the valence band maximum in the WSe 2 and the conduction band minimum in the MoSe 2 . The overall band gap is E G = 1.43 ± 0.03 eV, and to within experimental uncertainty it is unaffected by electron doping. However, the offset between the WSe 2 and MoSe 2 valence bands clearly decreases with increasing electron doping, implying band renormalisation only in the MoSe 2 , the layer in which the electrons accumulate. In contrast, µ ARPES spectra from a WS 2 /MoSe 2 heterobilayer indicate type I band alignment, with both band edges in the MoSe 2 . These insights into the doping-dependent band alignments and gaps of MX 2 heterobilayers will be useful for properly understanding and ultimately utilizing their optoelectronic properties.
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