GaN衬底调控增强MoS2室温谷极化率

单层二维半导体过渡金属硫族化合物,如二硫化钼(MoS2),由于反演中心对称性破缺以及强的自旋-轨道耦合,在能带结构中存在非等价的极值点(K和K¢),产生谷自由度。传统意义上,电子具有电荷和自旋两个自由度:对电子电荷自由度的电学调控,奠定了二极管和晶体管等现代电子学基础;而与电子自旋自由度相关的自旋电子学,为实现更高密度、更高速度和更低功耗的信息存储与处理提供了可能。谷自由度有望成为除电荷、自旋之外的第三个电子自由度。以谷自由度作为信息载体设计的多功能谷电子学器件具有集成高、处理速度快、能耗低及信息不易丢失等优点。目前,基于二维材料谷极化的研究大多是在低温下实现的,如何增强二维材料的室温谷极化率,是谷电子学研究的关键问题之一。

近期,北京大学物理学院戴伦教授、叶堉研究员与其合作者采用化学气相沉积法,在晶格匹配的氮化镓(GaN)衬底上外延生长出单层MoS2,形成第I类异质结。共振Raman以及载流子动力学研究表明存在显著的MoS2与GaN衬底的层间相互作用。层间的电-声相互作用促进了激子非辐射复合,缩短了MoS2/GaN异质结构中的激子复合寿命。另外,实验结果还表明,此电-声相互作用对谷间散射寿命影响不大。在稳态与瞬态时间分辨旋光光谱测量中,均观测到室温MoS2/GaN体系谷极化的增强。研究二维材料与衬底间相互作用的物理机制,有助于加深对二维材料/衬底异质体系的认识。在此基础上,利用衬底调控单层过渡金属硫族化合物的谷极化载流子动力学过程,是发展基于谷自由度的新型光子与光电子器件的一种新思路。

该项研究成果在线发表于Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201703888)上。

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