二维过渡金属硫属化物的电场调控

AFM-liuzheng众所周知,当物质尺度从三维的块体变成二维、甚至单原子层的时候,它往往能表现出新颖的物理特性。二维半导体材料,尤其是二维过渡金属硫化物,就因具有许多与其在块状形态下不同的特征颇受科学家们的青睐,比如:随着层数的减少,原本是间接带隙半导体的二维过渡金属硫化物就“摇身一变”成为直接带隙半导体。具有蜂窝状晶格结构并呈空间对称性破缺的单层MoS2,使之成为能谷电子学(valleytronics)的热点材料。这些优越的性能开启了二维过渡金属硫化物在光电子和电子器件研究方面的新篇章。基于对二维过渡金属硫化物的电场调控的最新进展,新加坡南洋理工大学刘政课题组就从光学性能、金属-绝缘体相变和能谷性能调控三个方面对其进行了详细的总结。

从光学性能调控的角度出发,理论计算证明,外加特定的电场,双层二硫化钼能实现从直接带隙半导体到间接带隙半导体的转变,使得其相应的发光和激子特性发生变化。单层二硫化钼内部电子浓度受到电场的作用发生变化,可以使材料的发光光谱在电中性激子和带电荷激子之间转换,改变激子结合能。结合外加电场在非线性光学性能领域对二维材料倍频的调控,二维过渡金属硫化物在光电器件方面的应用已经呼之欲出。

而在电学性能调控方面,通过提高二硫化钼等二维过渡金属硫化物的载流子浓度,可以实现其从半导体到金属的转变,人们甚至发现其在低温时表现出了超导的特性。利用二维强关联体系,利用电场调制二维超导材料转变温度也变成了可能。在TiSe2体系中,电场调控抑制了电荷密度波(CDW)态,同时使体系表现出超导态,这就为研究电场调控多体态提供了新的思路。

最值得期待的则是二维过渡金属硫化物在能谷性能调控方面的表现。双层二硫化钼能够在外加电场的作用下,利用自身结构特点实现对称性破缺并且进一步完成对能谷极化的调控。利用这一现象,材料能谷霍尔效应的电场调控同样可以被实现,这就昭示着制备出能谷器件的可能。此外,在块体WSe2表面,电场也可以引起对称性破缺,来产生并调节自旋或是能谷电流。在强电场的调制下,二维过渡金属硫化物的能谷性能就可以用来产生电致圆偏光。这些特质使人们在能谷电子学这一新兴研究领域向前迈了一大步。

随着对二维过渡金属硫化物性能调控的深入研究,基于电场效应,结合并优化材料的光学、电学和能谷性能,相信新颖二维光电器件的设计和应用可指日而待,在广袤的科技田野中开出一朵新鲜绚烂的花。

相关论文发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201602404)上。

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