Nature Materials: 單層二硫化鉬材料中的谷磁電效應

【引言】

二維狄拉克材料包括缺陷石墨烯和單層過渡金屬雙硫化物，其中的電子具有新的雙重谷自由度，該雙重谷自由度分別對應著布里淵區中K和K’谷。電子的谷自由度能夠給材料帶來軌道磁距。凈谷磁化強度是谷基材料應用的基礎。谷磁化強度有兩個來源，一個是谷有限總體不平衡，另一個為雖然谷有限總體平衡，但其具有分布差異。前者會被谷間散射放緩，而后者會被谷間散射大大限制。二維狄拉克材料谷對比的貝瑞曲率能夠對外磁電刺激進行響應，從而能夠實現對谷磁化強度更好的控制。雖然用圓偏振光和垂直平面的磁場對谷磁化強度的控制工作已經做了很多，但興起的實用谷電子設備要求能夠用純電場對谷磁化強度進行控制。谷磁電效應能夠很好滿足這個要求。要實現線性的磁電效應，需要破缺的時間反演和空間反演對稱性。對于一個電導體，其時間反演對稱性可以被外電場打破，其的損耗是通過載流子散射實現的。這樣的方式實現的磁電效應被稱為動力學磁電效應。單層過渡金屬硫化物如二硫化鉬，其本質是非中心對稱的，通過適當摻雜或加偏置電壓，其對稱性就能滿足要求。但其本質三次旋轉對稱性會消除材料中的谷磁電效應。這也是現在厄待解決的問題。

【成果簡介】

近日，來自美國賓夕法尼亞州立大學的Kin Fai Mak和Jie Shan（共同通訊）基于電子谷自由度在二維狄拉克材料中成功實現了一種新形式的磁電效應，大大推進了谷電子材料的應用。研究成果以Valley magnetoelectricity in single-layer MoS₂為題發表在Nature? Materials上。

研究人員在聚二甲硅氧烷襯底上從二硫化鉬晶體上剝離了一層二硫化鉬材料。之后，研究人員通過拉伸襯底在單層二硫化鉬材料上施加了一個單軸應力，從而破壞了二硫化鉬材料的三次旋轉對稱性。對于這種材料，可以實現純電場對谷磁化強度的控制，而且其可以通過克爾旋轉顯微鏡直接成像。研究人員發現觀測的面外磁化強度與面內磁場強度互相獨立，但是面外磁化強度與面內電流密度成很好的線性關系，而且當電流正交于應變引起的壓電場時，所觀測的面外磁化強度達到最優值。這些研究結果與理論的貝瑞曲率效應驅動的磁電效應符合得很好，而且該效應存在室溫中。

研究人員的工作為谷電子設備的應用打下基礎，大大加快了相關領域的發展。

【圖文導讀】

圖1? 應變二硫化鉬材料中的磁電效應

（a）壓電場E_PZ（右邊）是由于應力導致六方晶格（左邊）扭曲和與之有關的離子電荷極化而產生的。藍色小球和黃色小球分別代表鉬原子和硫原子。

（b）由于壓電場E_PZ的存在，導致材料內出現面內電流J，從而產生面外磁化強度M_v。

（c）n摻雜的單層二硫化鉬布里淵區中K和K’谷周圍的電子能帶圖。能帶的極值在單軸應變下從K/ K’（黑色虛線）轉變到相反方向。當然，其也沒能與貝瑞曲率分布（藍色虛線）的極值相交。在面內偏壓條件下，費米能級發生傾斜。

（d）平行于激發極化方向二次諧波分量強度（I）與從扶手椅方向測量得到的激發極化角（θ）的關系符號點。實線是擬合結果，擬合方程為I=I₀cos²(3θ)，其中I₀定義為最大極化強度。

（e）柔性襯底上，應變為0% (藍色), 0.1% (藍綠色) 和 0.2% (綠色)的單層二硫化鉬材料扶手椅方向的光致發光譜。紅線是單層二硫化鉬材料轉移硅襯底的光致發光譜。光譜被歸一化到峰值強度，并且垂直移動以確定清晰度。

圖2? 二硫化鉬材料中的谷磁電效應和谷霍爾效應

（a）兩個相反偏場方向（黑色箭頭）下，沒有應變的單層二硫化鉬的克爾旋轉圖像。電極和設備通道的邊界分別被黑色虛線和綠色虛線標出。沒有應變的樣品在V_ds =2.5 V和V_g =0 V (J=22 A m^?1)條件下被測試。在整個通道上觀察得到克爾旋轉圖像。

（b）兩個相反偏場方向（黑色箭頭）下，具有應變的單層二硫化鉬的克爾旋轉圖像。電極和設備通道的邊界分別被黑色虛線和綠色虛線標出。具有應變的樣品在V_ds =2.5 V和V_g =20 V (J=13 A m^?1)條件下被測試。在整個通道上觀察得到克爾旋轉圖像。

（c）無應變設備中，恒定位置上門電壓與克爾旋轉角度關系符號點和門電壓與通道電流密度J在V_ds =2.5 V條件下關系曲線（紅色實線）。插圖顯示在V_g =20 V下相應的符合點和曲線。

（d）應變設備中，恒定位置上克爾旋轉角度與面內磁場強度B的關系曲線。插圖是自旋磁化率M_s和缺少自旋磁化率的谷磁化率M_v的漢勒效應示意圖。

圖3? 谷霍爾效應電流方向依賴關系

（a）當單層二硫化鉬材料沿扶手椅方向受到一個單軸應力，其會沿著扶手椅方向產生一個壓電場E_pz。

（b）在V_ds =1 V和V_g =25 V(J=3.9 A m^?1)條件下，在科賓諾盤幾何中測量得到的樣品a的克爾旋轉圖像。

（c）根據方程（1）理論得到的谷磁化強度的空間分布。E_pz方向被橙色線標出。電極和設備通道的邊界分別被黑色虛線和綠色虛線標出。

（d-f）與a-c類似，只是單層二硫化鉬材料沿鋸齒形方向受到一個單軸應力。在V_ds =6.9 V和V_g =20 V(J=2.2 A m^?1)條件下測量得到克爾旋轉圖像。

圖4? 谷霍爾效應與溫度的關系

（a）應變設備中，在V_ds =2 V和溫度為10、50、 90 和 110 K條件下，恒定位置門電壓與兩點電導率關系曲線圖。

（b）應變設備中，在V_ds =2 V和溫度為10、50、 90 和 110 K條件下，恒定位置門電壓與克爾旋轉角度關系曲線圖。插圖顯示的是門電壓與克爾旋轉角度和兩點電導率在室溫條件下的關系曲線。

【小結】

研究人員在單層二硫化鉬材料中引入單軸應力，成功破壞了單層二硫化鉬材料的三次旋轉對稱性，讓單層二硫化鉬材料具有凈谷磁化強度。該材料能夠實現純電場對谷磁化強度的控制，為谷基材料的應用打下基礎，大大加快了相關材料領域的發展。

文獻鏈接：Valley magnetoelectricity in single-layer MoS₂（Nature? Materials,2017, Doi:10.1038/nmat4931）

本文由材料人電子電工學術組一棵松供稿，材料牛整理編輯。

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