Nature Materials :單層MoS2中激子霍爾效應

【引言】

半導體中電子與空穴通過庫倫作用相結合的束縛態粒子，稱為激子。激子行為決定了半導體材料的光學性質。過渡金屬硫族化合物，作為新興二維半導體材料，其激子行為的研究對開發新型光電器件具有重要意義。霍爾效應是用來表征半導體傳輸特性的基本現象，為材料中導電載流子的研究提供了有效途徑。我們可以借助霍爾效應研究半導體中的載流子，確定摻雜后的半導體材料中的載流子類型，也可以進一步測量載流子濃度。距離霍爾效應的發現已經有140多年，期間對各種霍爾效應的研究一直連續不斷。特別是在上世紀80年代發現量子霍爾效應之后，更多霍爾效應的家族成員相繼被發現，成為凝聚態物理中的一大熱門課題。

【成果簡介】

近日，東京大學Yoshihiro Iwasa教授（通訊作者）團隊報道了單層MoS₂中的激子霍爾效應。利用不同偏振光下光致發光譜，直接觀測到單層MoS₂中激子的霍爾效應和微米尺度上激子谷選擇傳輸特性。單層MoS₂中激子的霍爾角比獨立電子的霍爾角大很多，也就是說這種復合粒子的量子輸運特性很大程度上受其內部結構影響。相關成果以題為“Exciton Hall effect in monolayer MoS₂”發表在了Nature Materials上。

【圖文導讀】

圖1. 單層MoS₂霍爾效應實驗原理圖示

(a).單層MoS₂晶體結構。

(b).單層MoS₂的光選擇定則。

(c).電場作用下霍爾效應示意圖，電子和空穴向相反方向移動。

(d).激子霍爾效應示意圖（材料受激光照射或納米片中溫度和化學勢梯度引起的激子霍爾效應）。

圖2. 單層MoS₂中激子擴散

(a).單層MoS₂光學照片。

(b).30K下單層MoS₂的PL光譜。

(c).單層MoS₂的PL mapping，沿MoS₂片層不同方向上PL呈現各向異性。

(d).沿(c)中白色虛線的PL強度分布。

圖3. 激子霍爾效應

(a).線偏振光照射下的PL mapping。

(b).對應(a)中x=3.6μm處的PL光譜。

(c).y方向△I_norm。

(d) MoS₂片層上△I_norm.分布圖，反應了實空間中激子霍爾效應。

圖4. 激子的選擇性空間輸運

(a, c).σ_-和σ₊偏振光下截面PL強度，可看出在K’和K能谷下的選擇性躍遷。

(b, d).在σ_-和σ₊偏振光下y方向△I_norm。

(e).x方向I_sum分布。

(f).在圓偏振光激發下，x方向的谷極化率?。

【小結】

單層MoS₂本征二維特性使激子能夠穩定存在，而激子的Berry曲率所引起的不同橫向速率預示了激子霍爾效應。該工作是繼理論預測激子的量子輸運和自發霍爾效應后，首次在實驗上直接觀測到的實空間中激子霍爾效應與谷選擇輸運特性。該研究成果不僅提出了復合粒子的霍爾效應這個基本問題，也為探究二維材料中基于激子的能谷器件提供了新的思路。

文獻鏈接：Exciton Hall effect in monolayer MoS₂ (Nat. Mater.，2017，DOI: 10.1038/nmat4996)

本文由材料人電子電工學術組二正正笑春風供稿，材料牛整理編輯。

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