Nature Nanotech：TMDC走向應用的新途徑——磁交換場增強能谷劈裂

電荷與自旋是電子的兩個屬性。傳統的半導體器件，如二極管、晶體管，主要是利用了電子的電荷屬性，機械硬盤主要是利用了電子的自旋屬性。隨著器件的集成度越來越高，單個元件的尺寸逐漸接近物理極限，摩爾定律將失效。因此，設計出新型半導體器件已成為半導體領域的重要方向。在半導體材料的能帶結構中存在帶邊的極值點，通常稱為“能谷”。利用電子的能谷屬性可以設計出具有集成度高和處理速度快等優點的器件。因此，對電子能谷的研究與調控，是凝聚態物理、材料物理和半導體物理領域的熱點之一。

2010年，單層過渡金屬硫族化合物（TMDC）被制備出來。?TMDC是直接帶隙半導體，而且發光在可見光范圍，因此引起廣泛關注。單層TMDC能帶中價帶頂和導帶底都在布里淵區的K谷或K’谷。由于強的自旋軌道耦合效應和空間反演對稱性破缺，價帶頂和導帶底都會發生自旋劈裂；更重要的是，在K和K’谷的自旋劈裂方向是相反的。因此，單層的TMDC具有耦合的自旋和能谷特性，加上其直接帶隙的特點，在半導體光電子學、自旋電子學和能谷電子學都有應用的潛力。

目前已有的工作通常通過圓偏振光選擇性的激發某一個能谷的電子。然而，從器件設計的角度，通過光學方法來控制能谷并不利于器件集成。如果能夠通過電場來調控電子在不同能谷之間的占據，則能為能谷電子學走向器件集成與應用提供可能性。由于單層的TMDC具有耦合的自旋能谷特性，能谷的調控亦等同于自旋的調控。而實現這一調控的關鍵是打破能谷的簡并。由于能谷的簡并為時間反演對稱性所保護，?打破能谷的簡并就必須打破這一反演對稱性。實驗證明在外加磁場下能谷會發生劈裂；然而劈裂系數僅為0.2 meV/T，導致在高磁場下才能觀察到可觀的劈裂。為了解決這個問題，美國紐約州立大學布法羅分校物理系曾浩（Hao Zeng）教授及其合作者們巧妙的設計了二維材料與鐵磁材料的異質結構，通過改變外磁場方向來控制磁性襯底的磁化方向從而誘導能谷劈裂，并能夠改變能谷劈裂的方向，如圖一所示。實驗發現硫化銪（EuS）襯底的磁交換場（Magnetic Exchange Field）非常顯著的增強了二硒化鎢（WSe₂）能谷劈裂的系數，為2.5 meV/T。由于在小場下就可以得到很大的能谷劈裂，因此，可以將EuS看作一個?“磁場放大器”。?

圖一?（左）單層過渡金屬二硫化物的能谷在磁性襯底的影響下發生劈裂的示意圖；（右）能谷劈裂隨磁場的變化和EuS磁滯洄線相吻合。

該工作提供了一種在二維半導體材料中非常有效的調控能谷和自旋極化的手段。例如，在WSe₂/EuS系統中，還可以引入電場調控費米能級，選擇某個特定的能谷上的載流子。因此，反常的電荷、自旋或能谷霍爾效應都是可以預期的。由于二維材料/鐵磁材料異質結構在實驗上較容易制備，而且具有增強的能谷劈裂效應，在信息存儲與處理器件的應用中具有非常大的潛力。該工作為將TMDC應用于經典與量子信息處理器件奠定了理論與實驗基礎。本工作由布法羅大學，南京工業大學，西安交通大學，內布拉斯加州立大學，滑鐵盧大學等單位的研究組合作完成，近期發表于自然納米雜志。

論文鏈接：Enhanced valley splitting in monolayer WSe2 due to magnetic exchange field.(Nature Nanotech., Advance Online Publication, DOI: 10.1038/nnano.2017.68)

本文由南京工業大學先進材料研究院程迎春教授投稿，材料牛編輯曉fire編輯整理。

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