深圳市二维材料孔雀团队
【Rep. Prog. Phys.】单层TMDC及其异质结的谷极化调控进展

       电荷和自旋是电子的两个本征属性,基于电荷的传统微电子学已经给人们的生活带来了革命性的变化,然而随着电子器件的微型化和高度集成,电子器件的尺寸已经接近物理极限。为了延续摩尔定律,实现后摩尔时代的新型信息传输和处理,寻找可替代电荷的新的自由度引起了人们的广泛关注。与传统电子学器件相比,自旋电子学器件具有功耗低、速度快和非易失性等优点。近年来,人们发现在一些反演对称破缺的晶体中,电子除了电荷和自旋,还具有谷自由度。谷即晶体能带结构中带边的极值点(导带底或价带顶)。这些极值点在晶体动量空间中是受时间反演对称保护的。通过第一布里渊区倒空间局部的贝里曲率(Berry curvature)或轨道磁矩,可以区分并描述特定的能谷。因此,谷自由度可以作为信息存储和传输载体。其量子信息存储能力超过现有的电荷或自旋控制技术,适用于未来电子设备和量子芯片。正因为谷电子学具有广阔的发展潜力,对电子能谷的研究与调控,是凝聚态物理、材料物理和半导体物理领域的前沿热点之一。

       实现谷电子学器件的基本原则是控制电子在不同能谷中的数量,进而产生谷极化。谷极化可以在空间反演对称破缺的体系中实现并进行调控。而由于单层TMDCs(MoS2、WSe2等)在晶体结构上存在空间反演对称性破缺,所以在第一布里渊区中存在能量简并但不同的K和-K谷,因此单层TMDC是研究谷电子学的合适载体(如图1所示)。

       深圳大学张晗教授团队在《Reports on Progress in Physics》上发表 “Valley Manipulation in Monolayer Transition Metal Dichalcogenides and Their Hybrid Systems: Status and Challenges”的综述论文。该论文详细综述了二维TMDC材料及异质结的谷调控策略和机制,总结了目前谷电子学器件并展望未来谷电子学的挑战和机遇。

       目前,二维TMDC材料及异质结的谷调控策略主要包括光泵浦,外部磁场,静电掺杂,缺陷工程,应变调控以及利用铁磁材料异质结构,等离激元结构和莫尔超晶格等界面效应(如图1)。


图1 TMDC中谷极化的多种调控手段

       文章首先介绍了二维2H-TMDC的晶体结构和能带结构,系统介绍了谷自由度的概念,谷极化的影响因素和二维TMDC激子种类和谷极化寿命。通过超快动力学的表征可以理解谷极化调控的物理机制。

图2(a)单层2H-TMDC的晶格结构;(b)DFT计算的单层2H-TMDC的能带结构;(c)TMDC的谷依赖光学选择定则;(d)谷霍尔效应示意图;(e)单层TMDC和异质结中不同种类的激子;(f)单层TMDC和异质结中不同种类激子和载流子的寿命和谷极化寿命

       除了外场调控手段外,构建异质结构也可以对二维TMDC中的谷极化进行调控。近年来,理论和实验研究发现,在TMDC和磁性衬底的界面处会形成磁交换场。磁交换场可以极大地增强谷劈裂系数。在TMDC与磁性绝缘体EuS异质结中分别观测到了6meV/T(WS2/EuS)和2.5meV/T(WSe2/EuS)的劈裂系数。在单层WSe2 与二维磁性绝缘体CrI3的异质结中发现谷自旋劈裂系数高达150meV/T。此外,利用手性等离基元微纳结构与TMDC组成的异质结也可以通过手性界面电磁场来调控TMDC中的谷极化(如图3)。此外,如图4所示,近期人们发现通过人工构筑莫尔超晶格也可以调节TMDC中的谷极化率,这为未来的谷电子学器件提供新的调控手段和思路。

图3(a)TMDC与铁磁材料组成的异质结示意图;(b)外磁场下,TMDC与铁磁材料异质结的能带结构;(c)WS2在SiO2衬底和EuS衬底的谷塞曼分裂;(d)WSe2/CrI3异质结的谷极化率随磁场的关系;(e)TMDC与手性等离基元结构的异质结;(f)单层MoS2和手性超表面的能带结构;(g)TMDC与手性等离基元结构的异质结的谷极化率

图4(a)间接激子能带示意图;(b)MoX2/WX2异质结的摩尔条纹;(c)ABC三个位点的摩尔势;(d)-(g)不同角度的MoX2/WX2谷极化率

       最后,基于TMDC的各种调控手段,文章总结了近期与能谷相关的器件,比如谷-开关、谷-光电探测器、谷-LED等。

图5 基于ML-TMDC和异质结构的谷敏感光电探测器
(a)ML-WS2的谷极化扫描光电流;(b)ML-MoS2 /石墨烯异质结构中非局域自旋极化光电流;(c)不同栅压下WSe2-G-Bi2Se3异质结非局域自旋极化光电流;(d)不同栅压下WSe2-G-Bi2Se3异质结局域与非局域光电流极化率

图6 不同种类的谷-LED
(a)单层WSe2的平面p-i-n结示意图和手性EL谱;(b)单层TMDC的垂直p-i-n结示意图和手性EL谱;(c)不同磁场下,采用铁磁金属做电极的单层TMDC手性EL谱;(d)(Ga, Mn)As和WS2异质结的手性EL谱

       深圳大学赵斯文博士为论文的第一作者。本论文的通讯作者为深圳大学张晗教授和山西大学的韩拯教授。
 
【文章链接】
Valley manipulation in monolayer transition metal dichalcogenides and their hybrid systems: status and challenges

Siwen Zhao, Xiaoxi Li, Baojuan Dong, Huide Wang, Hanwen Wang, Yupeng Zhang, Zheng Han,Han Zhang
Reports on Progress in Physics, 2021