Nano Select:强磁场下单层MoS2的太赫兹磁光特性研究

单层MoS2具直接电子能带带隙以及独特的谷电子学特性,在光学、光电和信息技术领域有着潜在的重要应用。在相关器件中,衬底的存在可以通过邻近效应(如增强的Rashba自旋轨道耦合)和提供额外的电荷和散射中心(如杂质和声子)来影响器件的性能。因此,深入探究单层MoS2在底物上的基本物理性质具有重要意义。太赫兹时域光谱技术是研究材料物理特性的先进光学方法,该技术的主要优势在于它可以无接触式,无需Kramas-Kronig变换,直接测量样品光电导率的实部和虚部,通过实验数据与理论模型的拟合,可以获得如自由载流子浓度、弛豫时间等重要的样品参数。另外,与变温、变磁场实验条件结合,太赫兹时域光谱测量可以获得更多关于电子材料物理特性的信息。

中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所徐文课题组应用太赫兹时域光谱技术,对Si/SiO2衬底上单层MoS2在液氮温度(80 K)和不同磁场(0-8 T,法拉第geometry)下的太赫兹磁光特性进行了研究,获得了单层MoS2的纵向磁光电导率的实部和虚部。我们发现,此磁光电导率可以用该课题组发展的Drude-Smith磁光电导率公式(F. W. Han, et al, J. Appl. Phys. 2016, 199, 245706) 正确描述。通过实验数据与理论公式的拟合,获得了Si/SiO2衬底上单层MoS2中的自由电子浓度、电子弛豫时间、电子局域化因子等关键的样品参数,以及这些参数与磁场的依赖关系:电子弛豫时间随着磁场的增加而变大,而电子浓度和电子局域化因子随磁场增加而减小。这说明单层MoS2中的电子可以在太赫兹频率范围内对磁场产生强烈的响应,而磁场的存在可显著降低单层MoS2中的光致电子背散射或局域化效应。

这些结果表明,基于太赫兹时域光谱技术的磁光测量,可用于表征和研究原子层厚度电子系统,并无接触式测量它们的关键样品参数。此研究获得的结果将有助于深入了解单层过渡金属硫族化合物系统的基本光电和磁光电物理特性,为单层MoS2应用于先进光电、磁光材料和器件提供科学研究支撑。相关论文发表在Nano Select (DOI: 10.1002/nano.202000138)。