We investigate WSe2–MoSe2 heterobilayers with different twist angles θ±δ between the two layers by low-frequency Raman scattering. In sufficiently aligned samples with θ=0° or θ=60° and δ3°, we observe an interlayer shear mode (ISM), which is a clear sign of a commensurate bilayer structure, i.e., the layers must undergo an atomic reconstruction to form R-type or H-type stacking orders. We find slightly different ISM energies of about 18 cm–1 and 17 cm–1 for H-type and R-type reconstructions, respectively, independent of the exact value of θ±δ. Our findings are corroborated by the fact that the ISM is not observed in samples with twist angles, which deviate by δ>3° from 0° or 60°. This is expected since, in such incommensurate structures, with the possibility of Moiré-lattice formation, there is no restoring force for an ISM. Furthermore, we observe the ISM even in sufficiently aligned heterobilayers, which are encapsulated in hexagonal Boron nitride. This is particularly relevant for the characterization of high-quality heterostructure devices.

1.
A. K.
Geim
and
I. V.
Grigorieva
,
Nature
499
,
419
(
2013
).
2.
Y.
Cao
,
Y. V.
Fatemi
,
S.
Fang
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
E.
Kaxiras
, and
P.
Jarillo-Herrero
,
Nature
556
,
43
(
2018
).
3.
M.
Koperski
,
M. R.
Molas
,
A.
Arora
,
K.
Nogajewski
,
A. O.
Slobodeniuk
,
C.
Faugeras
, and
M.
Potemski
,
Nanophotonics
6
,
1289
(
2017
).
4.
G.
Wang
,
A.
Chernikov
,
M. M.
Glazov
,
T. F.
Heinz
,
X.
Marie
,
T.
Amand
, and
B.
Urbaszek
,
Rev. Mod. Phys.
90
,
21001
(
2018
).
5.
K. F.
Mak
,
C.
Lee
,
J.
Hone
,
J.
Shan
, and
T. F.
Heinz
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
136805
(
2010
).
6.
A.
Chernikov
,
T. C.
Berkelbach
,
H. M.
Hill
,
A. F.
Rigosi
,
Y.
Li
,
O. B.
Aslan
,
D. R.
Reichman
,
M. S.
Hybertsen
, and
T. F.
Heinz
,
Phys. Rev. Lett.
133
,
076802
(
2014
).
7.
C.
Poellmann
,
P.
Steinleitner
,
U.
Leierseder
,
P.
Nagler
,
G.
Plechinger
,
M.
Porer
,
R.
Bratschitsch
,
C.
Schüller
,
T.
Korn
, and
R.
Huber
,
Nat. Mater.
14
,
889
(
2015
).
8.
D.
Xiao
,
G.-B.
Liu
,
W.
Feng
,
X.
Xu
, and
W.
Yao
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
196802
(
2012
).
9.
K. F.
Mak
,
K.
He
,
J.
Shan
, and
T. F.
Heinz
,
Nat. Nanotechnol.
7
,
494
(
2012
).
10.
V. O.
Özçelik
,
J. G.
Azadani
,
C.
Yang
,
S. J.
Koester
, and
T.
Low
,
Phys. Rev. B
94
,
035125
(
2016
).
11.
K.
Kośmider
and
J.
Fernández-Rossier
,
Phys. Rev. B
87
,
075451
(
2013
).
12.
J.
Kang
,
S.
Tongay
,
J.
Zhou
,
J.
Li
, and
J.
Wu
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
012111
(
2013
).
13.
H.
Fang
,
C.
Battaglia
,
C.
Carraro
,
S.
Nemsak
,
B.
Ozdol
,
J. S.
Kang
,
H. A.
Bechtel
,
S. B.
Desai
,
F.
Kronast
,
A. A.
Unal
,
G.
Conti
,
C.
Conlon
,
G. K.
Palsson
,
M. C.
Martin
,
A. M.
Minor
,
C. S.
Fadley
,
E.
Yablonovitch
,
R.
Maboudian
, and
A.
Javey
,
Proc. Natl. Acad. Sci.
111
,
6198
(
2014
).
14.
P.
Rivera
,
J. R.
Schaibley
,
A. M.
Jones
,
J. S.
Ross
,
S.
Wu
,
G.
Aivazian
,
P.
Klement
,
K.
Seyler
,
G.
Clark
,
N. J.
Ghimire
,
J.
Yan
,
D. G.
Mandrus
,
W.
Yao
, and
X.
Xu
,
Nat. Commun.
6
,
6242
(
2015
).
15.
P.
Rivera
,
K. L.
Seyler
,
H.
Yu
,
J. R.
Schaibley
,
J.
Yan
,
D. G.
Mandrus
,
W.
Yao
, and
X.
Xu
,
Science
351
,
688
(
2016
).
16.
J.
Kunstmann
,
F.
Mooshammer
,
P.
Nagler
,
A.
Chaves
,
F.
Stein
,
N.
Paradiso
,
G.
Plechinger
,
C.
Strunk
,
C.
Schüller
,
G.
Seifert
,
D. R.
Reichman
, and
T.
Korn
,
Nat. Phys.
14
,
801
(
2018
).
17.
C.
Zhang
,
C.-P.
Chuu
,
X.
Ren
,
M.-Y.
Li
,
L.
Li
,
C.
Jin
,
M.-Y.
Chou
, and
C.-K.
Shih
,
Sci. Adv.
3
,
e1601459
(
2017
).
18.
A. M.
van der Zande
,
J.
Kunstmann
,
A.
Chernikov
,
D. A.
Chenet
,
Y.
You
,
X.
Zhang
,
P. Y.
Huang
,
T. C.
Berkelbach
,
L.
Wang
,
F.
Zhang
,
M. S.
Hybertsen
,
D. A.
Muller
,
D. R.
Reichman
,
T. F.
Heinz
, and
J. C.
Hone
,
Nano Lett.
14
,
3869
(
2014
).
19.
E. M.
Alexeev
,
D. A.
Ruiz-Tijerina
,
M.
Danovich
,
J.
Hamer
,
D. J.
Terry
,
P. K.
Nayak
,
S.
Ahn
,
S.
Pak
,
J.
Lee
,
J. T.
Sohn
,
M. R.
Molas
,
M.
Koperski
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
K. S.
Novoselov
,
R. V.
Gorbachev
,
H. S.
Shin
,
V. I.
Fal'ko
, and
A. T.
Tartakovskii
,
Nature
567
,
81
(
2019
).
20.
C.
Jin
,
E. C.
Regan
,
A.
Yan
,
M. I. B.
Utama
,
D.
Wang
,
S.
Zhao
,
Y.
Qin
,
S.
Yang
,
Z.
Zheng
,
S.
Shi
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
S.
Tongay
,
A.
Zettl
, and
F.
Wang
,
Nature
567
,
76
(
2019
).
21.
K. L.
Seyler
,
P.
Rivera
,
H.
Yu
,
N. P.
Wilson
,
E. L.
Ray
,
D. G.
Mandrus
,
J.
Yan
,
W.
Yao
, and
X.
Xu
,
Nature
567
,
66
(
2019
).
22.
K.
Tran
,
G.
Moody
,
F.
Wu
,
X.
Lu
,
J.
Choi
,
K.
Kim
,
A.
Rai
,
D. A.
Sanchez
,
J.
Quan
,
A.
Singh
,
J.
Embley
,
A.
Zepeda
,
M.
Campbell
,
T.
Autry
,
T.
Taniguchi
,
K.
Watanabe
,
N.
Lu
,
S. K.
Banerjee
,
K. L.
Silverman
,
S.
Kim
,
E.
Tutuc
,
L.
Yang
,
A. H.
MacDonald
, and
X.
Li
,
Nature
567
,
71
(
2019
).
23.
H.
Kumar
,
D.
Er
,
L.
Dong
,
J.
Li
, and
V. B.
Shenoy
,
Sci. Rep.
5
,
10872
(
2015
).
24.
M. R.
Rosenberger
,
H.-J.
Chuang
,
M.
Phillips
,
V. P.
Oleshko
,
K. M.
McCreary
,
S. V.
Sivaram
,
C. S.
Hellberg
, and
B. T.
Jonker
,
ACS Nano
14
,
4550
(
2020
).
25.
A.
Weston
,
Y.
Zou
,
V.
Enaldiev
,
A.
Summerfield
,
N.
Clark
,
V.
Zolyomi
,
A.
Graham
,
C.
Yelgel
,
S.
Magorrian
,
M.
Zhou
,
J.
Zultak
,
D.
Hopkinson
,
A.
Barinov
,
T.
Bointon
,
A.
Kretinin
,
N. R.
Wilson
,
P. H.
Beton
,
V. I.
Fal'ko
,
S. J.
Haigh
, and
R.
Gorbachev
, “Atomic reconstruction in twisted bilayers of transition metal dichalcogenides,”
Nat. Nanotechnol.
(published online,
2020
).
26.
A.
Sushko
,
K.
De Greve
,
T. I.
Andersen
,
G.
Scuri
,
Y.
Zhou
,
J.
Sung
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
P.
Kim
,
H.
Park
, and
M. D.
Lukin
, arXiv:1912.07446 (
2019
).
27.
S.
Carr
,
D.
Massatt
,
S. B.
Torrisi
,
P.
Cazeaux
,
M.
Luskin
, and
E.
Kaxiras
,
Phys. Rev. B
98
,
224102
(
2018
).
28.
T.
Wozniak
,
P. E.
Faria Junior
,
G.
Seifert
,
A.
Chaves
, and
J.
Kunstmann
,
Phys. Rev. B
101
(
23
),
235408
(
2020
).
29.
V. V.
Enaldiev
,
V.
Zolyomi
,
C.
Yelgel
,
S. J.
Magorrian
, and
V. I.
Fal'ko
,
Phys. Rev. Lett.
124
,
206101
(
2020
).
30.
I.
Maity
,
M. H.
Naik
,
P. K.
Maiti
,
H. R.
Krishnamurthy
, and
M.
Jain
,
Phys. Rev. Res.
2
,
013335
(
2020
).
31.
A.
Ferrari
and
D.
Basko
,
Nat. Nanotechnol.
8
,
235
(
2013
).
32.
X.
Zhang
,
X.-F.
Qiao
,
W.
Shi
,
J.-B.
Wu
,
D.-S.
Jiang
, and
P.-H.
Tan
,
Chem. Soc. Rev.
44
,
2757
(
2015
).
33.
L.
Liang
,
J.
Zhang
,
B. G.
Sumpter
,
Q.-H.
Tan
,
P.-H.
Tan
, and
V.
Meunier
,
ACS Nano
11
,
11777
(
2017
).
34.
Raman Spectroscopy of Two-Dimensional Materials
, Springer Series in Materials Science, edited by
P.-H.
Tan
(
Springer Nature
,
Singapore
,
2019
), ISBN 978-981-13-1827-6.
35.
G.
Plechinger
,
S.
Heydrich
,
J.
Eroms
,
D.
Weiss
,
C.
Schüller
, and
T.
Korn
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
101906
(
2012
).
36.
C. H.
Lui
,
Z.
Ye
,
C.
Ji
,
K.-C.
Chiu
,
C.-T.
Chou
,
T. I.
Andersen
,
C.
Means-Shively
,
H.
Anderson
,
J.-M.
Wu
,
T.
Kidd
,
Y.-H.
Lee
, and
R.
He
,
Phys. Rev. B
91
,
165403
(
2015
).
37.
M.-L.
Lin
,
Q.-H.
Tan
,
J.-B.
Wu
,
X.-S.
Chen
,
J.-H.
Wang
,
Y.-H.
Pan
,
X.
Zhang
,
X.
Cong
,
J.
Zhang
,
W.
Ji
,
P.-A.
Hu
,
K.-H.
Liu
, and
P.-H.
Tan
,
ACS Nano
12
,
8770
(
2018
).
38.
A. A.
Puretzky
,
L.
Liang
,
X.
Li
,
K.
Xiao
,
B. G.
Sumpter
,
V.
Meunier
, and
D. B.
Geohegan
,
ACS Nano
10
,
2736
(
2016
).
39.
M.-L.
Lin
,
Y.
Zhou
,
J.-B.
Wu
,
X.
Cong
,
X.-L.
Liu
,
J.
Zhang
,
H.
Li
,
W.
Yao
, and
P.-H.
Tan
,
Nat. Commun.
10
,
2419
(
2019
).
40.
A.
Castellanos-Gomez
,
M.
Buscema
,
R.
Molenaar
,
V.
Singh
,
L.
Janssen
,
H. S. J.
van der Zant
, and
G. A.
Steele
,
2D Mater.
1
,
011002
(
2014
).
41.
J.
Holler
,
T.
Wozniak
,
M.
Kempf
,
M.
Högen
,
P.
Nagler
,
J.
Zipfel
,
M. V.
Ballottin
,
A. A.
Mitioglu
,
A.
Chernikov
,
T.
Taniguchi
,
K.
Watanabe
,
P. C. M.
Christianen
,
C.
Schüller
,
G.
Oliveira de Sousa
,
J.
Kunstmann
,
T.
Korn
, and
A.
Chaves
, “
Negative quadratic magnetic shift of interlayer excitons in van der Waals heterostructures
” (unpublished).
42.
S.-Y.
Chen
,
C.
Zheng
,
M. S.
Fuhrer
, and
J.
Yan
,
Nano Lett.
15
,
2526
(
2015
).
43.
Y.
Li
,
Y.
Rao
,
K. F.
Mak
,
Y.
You
,
S.
Wang
,
C. R.
Dean
, and
T. F.
Heinz
,
Nano Lett.
13
,
3329
(
2013
).
44.
A. A.
Puretzky
,
L.
Liang
,
X.
Li
,
K.
Xiao
,
K. K.
Wang
,
M.
Samani
,
L.
Basile
,
J. C.
Idrobo
,
B. G.
Sumpter
,
V.
Meunier
, and
D. B.
Geohegan
,
ACS Nano
9
,
6333
(
2015
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.