InfoMat:单层过渡金属硫化物中能谷塞曼效应的空间分布

【通讯作者简介】

于霆教授:新加坡南洋理工大学(Nanyang Technological University)物理与数学科学学院(School of Physical and Mathematical Sciences)终身教授。主持多个国际、新加坡国家重大项目研究课题工作并获得多项奖励,包括2010年获得新加坡国家科研基金研究员奖(National Research Foundation Fellow),世界达沃斯经济论坛杰出青年科学家奖(2010),新加坡物理学会纳米科技奖(2011)等。于霆教授连续三年(2017, 2018, 2019)被Clarivate Analytics 评为高被引科学家,近年来在低维材料光学、能源光电子学等领域发表论文200余篇。截至目前,文章他引次数20,000+, H-index: 80. 课题组主页:http://www1.spms.ntu.edu.sg/~yuting/home.html

丛春晓教授:复旦大学信息科学与工程学院博士生导师、国家青年千人。主要从事石墨烯和二维半导体材料及其异质结构的制备、物性研究与性能调控、光电特性与器件应用的研究。迄今在Nature communications, Advanced Materials, Nano letters, ACS Nano等杂志上发表SCI论文100余篇,他引5000余次,H因子39。曾获澳大利亚第四届二维材料国际会议“青年科学家奖”、复旦大学“巾帼创新奖”、信息学院“院长奖”、新加坡材料及先进技术国际会议和新加坡国际青年学者先进材料会议最佳海报奖、日本亚洲纳米会议2010最佳会议奖、德国WITec公司最佳学术论文奖、Nano Research 杂志论文奖等。

【背景介绍】

传统微纳电子器件是基于对电子电荷自由度的电学调控,随着集成电路规模的日益增大,特征尺寸已骤然减至十纳米以下。随之而来的散热问题和量子隧穿效应都严重制约了集成电路的进一步发展。近年来,科学家们对新型材料(磁性材料,二维电子材料等)的研究有了突破性进展,电子自旋自由度和电子能谷自由度进入大家的视野。人们相信,操控电子自旋自由度和电子能谷自由度能将在微观层次为信息编码和操作提供巨大潜力,助力集成电路地蓬勃发展。电子能谷自由度能够通过观测能谷塞曼效应(通过左旋激发光获得的发光谱线与通过右旋激发光获得的发光谱线在磁场下有一个能量差)进行研究,而单层过渡金属硫化物作为二维电子材料的当家花旦是研究电子能谷自由度的重要载体。对能谷塞曼效应的空间分布问题的研究将对未来能谷电子器件的应用与集成有着重要指导意义。

【成果简介】

近日,新加坡南洋理工大学于霆教授和复旦大学丛春晓教授合作报道了对单层过渡金属硫化物中能谷塞曼效应的空间分布问题的研究。其主要研究结果如下:

  1. 如图一所示,在液氮和液氦温度下,当研究人员从人工剥离获得的单层二硒化钨的中间观测到其边缘时,二硒化钨发出的特征发光谱线(Trion and Exciton peak)出现了明显蓝移。这主要是由于空气中的水分子吸附在二硒化钨表面,导致二硒化钨样品中央到边缘区域形成了电子浓度逐渐掺杂的特性。

图一 二硒化钨在液氮(左)液氦(右)下,特征谱线随空间位置呈蓝移趋

2.如图二所示,研究人员在不同磁场下通过超精细发光光谱成像技术,绘制出不同磁场下的特征发光谱线的旋光能量值对比图。

图二 Trion(左)与Exciton(右)与在不同磁场下的谱线分裂(Scale bar: 5 )

3.如图三所示,通过比较能谷塞曼效应导致的旋光能量差随磁场的变化趋势,研究人员发现,对于带电激子(Trion)来说,能谷塞曼效应导致的分裂能量随磁场的变化随着电子浓度的变化呈现显著不同的趋势;而激子(Exciton)的分裂能量随磁场的斜率对电子浓度的变化并不敏感,样品中央和边缘区域的分裂能量变化趋势几乎相同。

图三 Trion(左)与Exciton(右)在不同电子浓度下分裂能量随磁场的变化趋势

【总结与展望】

电子浓度对于单层过渡金属硫化物中的特征谱线能量有着调制作用;在不同的电子浓度下,激子和带电激子所表现出来的能谷塞曼效应随磁场的变化呈现出不同的趋势。此项研究对于未来基于电子能谷自由度的光电器件的集成有着一定的指导意义。相关工作以“Spatial variations of valley splitting in monolayer transition metal dichalcogenide”为题,在线发表在InfoMat(DOI:10.1002/inf2.12050)上。