二维过渡金属硫化物中Rashba自旋轨道耦合效应的电场调控研究

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二维过渡金属二硫族化合物的载流子调控与器件研究

二维过渡金属二硫族化合物的载流子调控与器件研究近年来,二维过渡金属二硫族化合物（TMDs）引起了人们极大的研究兴趣。

由于其独特的性质,人们在TMDs中发现了很多新奇的物理现象,并探索了其各种潜在的器件应用。

载流子调控在半导体材料的基础研究和器件应用中有着十分重要的意义,对TMDs材料体系的载流子调控研究将促进该领域的发展。

本论文主要研究通过不同手段对二硫化钼（MoS2）、二硒化钨（WSe2）、二硫化铼（ReS2）这几种具有代表性的TMDs材料的载流子进行调控,并进一步探索其相关的物理性质和器件应用。

首先,在第三章中,我们结合包括光显微镜、拉曼光谱、原子力显微镜（AFM）对样品的层数和薄膜质量进行了表征。

通过场效应测量得到单层和双层MoS2样品的电流开关比超过105,室温迁移率为～20cm2V-1s-1。

然后我们利用离子液体这个强有力的载流子调控手段,对单层和双层MoS2样品的输运性质进行了探索研究。

通过离子液体引入浓度高载流子,在单层MoS2中观察到金属-绝缘体转变;而在双层器件中除了观察到金属-绝缘体转变,在更高的载流子浓度下还观察到了超导转变的迹象。

第四章中我们深入研究了离子液体调控下单层和双层MoS2样品的超导转变。

对于双层MoS2样品,通过BKT模型研究了其二维超导的性质。

在低温下,通过研究不同磁场下电阻随温度的演变发现双层MoS2超导中的涡旋运动包括热激活蠕动（TAFF）和量子蠕动（quantumcreep）两种模式。

二维过渡金属硫化物中Rashba自旋轨道耦合效应的电场调控研究

二维过渡金属硫化物中Rashba自旋轨道耦合效应的电场调控研究姚群芳;蔡佳;龚士静【摘要】Using the first-principles density functional theory calculations,we investigate the Rashba spin-orbit coupling of the transition metal dichalcogenide (TMD) monolayers MX2(M=Mo,W;X =S,Se,Te) induced by the external electric field.It is found that the anions X play an important role on the Rashba spin-orbit coupling effect.With the increase of the atomic number of X,Rashba spin-orbit splitting around the Γ point increases more distinctively,and the external electric field can hardly influence the cations because of the coverage by the anions.Thus the strength of the Rashba spin-orbit coupling follows the sequence:WTe2 ＞MoTe2 ＞WSe2 ＞MoSe2 ＞WS2 ＞MoS2.Furthermore,the distribution of the spin polarization along th e high symmetry line Γ-K/K＇ turns from the vertical direction to the two-dimensional plane under the external electric fields,and the in-plane spin polarization distribution rises with the increase of the external electric field.%本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,对6种二维过渡金属硫化物MX2(M=Mo,W;X=S,Se,Te)中的Rashba自旋轨道耦合效应进行了系统研究.对6种MX2材料施加垂直方向电场,发现阴离子X对于电场诱导的Rashba自旋轨道耦合效应起主要作用:X原子序数越大,电场诱导的Rashba劈裂也越大;阳离子M被阴离子X覆盖,对电场诱导的Rashba自旋劈裂影响较弱.因此,6种MX2单层的Rashba自旋劈裂大小依次为:WTe2 ＞MoTe2＞WSe2 ＞MoSe2 ＞WS2 ＞MoS2.施加电场后,从布里渊区中心Γ点到布里渊区边界K/K＇点,自旋方向二维平面内转向垂直方向,并且随着电场的增加,面内自旋成分逐渐增加.【期刊名称】《华东师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(000)002【总页数】8页(P101-108)【关键词】二维过渡金属硫化物;Rashba自旋轨道耦合;第一性原理计算【作者】姚群芳;蔡佳;龚士静【作者单位】华东师范大学极化材料与器件教育部重点实验室,上海200241;华东师范大学极化材料与器件教育部重点实验室,上海200241;华东师范大学极化材料与器件教育部重点实验室,上海200241【正文语种】中文【中图分类】O411.30 引言自旋轨道耦合效应是固体材料中的一种相对论效应,主要有结构反演不对称破缺引起的Rashba自旋轨道耦合、体材料反演不对称破缺引起的Dresselhaus自旋轨道耦合,以及杂质引起的自旋轨道耦合等3种[1]．Rashba自旋轨道耦合效应可以通过电场进行调控并有望应用于全电学自旋电子器件[2],因而引起了科研工作者极大的研究兴趣．1990年Datta和Das提出了利用自旋承载信息的自旋场效应晶体管模型,该模型基于Rashba自旋轨道耦合效应来对器件进行全电场调控[2].但实现自旋场效应晶体管面临着诸多挑战,如低自旋注入效率、自旋弛豫的控制以及自旋进动的控制等[3].最近有研究结果表明,一种利用Rashba自旋轨道耦合效应的全电学半导体自旋电子器件在实验上得到了实现[4].Rashba自旋轨道耦合效应最早在半导体异质结AlGaAs/GaAs、InAs/GaSb中观测到[5-6]．随着研究的深入,研究人员利用角分辨率光电子能谱测量到Au(111)[7]、Bi(111)[8]、Gd(0001)[9]等重金属表面的Rashba自旋轨道耦合的强度．更进一步地,人们设法在金属表面掺杂,并从Bi-Ag(111)[10]、Bi-Si(111)[11]等体系中获得了更大的Rashba自旋轨道耦合强度．然而,在实际应用中,具有Rashba自旋轨道耦合效应的半导体材料更符合工业上的应用[12]．近年,在极性半导体材料BiTeI 中发现了Rashba自旋轨道耦合效应[13-14],该自旋劈裂源于层间结构．然而,体材料BiTeI层间的离子键作用阻碍了稳定薄膜的形成,这恰恰是集成电路中亟需的．因而人们期待在稳定的薄膜中发现强的Rashba自旋轨道耦合效应．2004年物理学家Geim和Novoselov等人从石墨中剥离出石墨烯[15],即只有单层碳原子的二维结构晶体．石墨烯优异的性能,如极强的柔韧性、超强透光性、高热导电率、高电子迁移率等[15],吸引了大批研究人员的研究．在持续不断的研究热潮下,科研工作者在石墨烯的研究领域相继取得了可喜的研究成果[16],并促使了其他二维材料的发现,如氮化硼[17]、硅烯[18]和单层过渡金属硫化物[19-21]等．尤其是单层过渡金属硫化物由于在纳米电子学、光电子学、谷电子学及自旋电子学等领域中广阔的应用前景[22-24],引起了广泛的关注．人们致力于研究单层过渡金属硫化物在K/K′点附近的物理性质,并揭示了其在谷电子学中特殊的应用[25-26],而较少研究Γ点处的能带结构．最近研究表明,极性的二维过渡金属硫化物MXY(M=Mo,W;X/=Y=S,Se,Te)不仅在K/K′处有谷自旋劈裂,由于镜面对称破缺,在Γ点处价带顶的能带也产生劈裂,表现出较大的Rashba自旋轨道耦合效应[27]．在非极性的二维过渡金属硫化物MX2(M=Mo,W;X=S,Se,Te)中,由于镜面对称,在Γ点处自旋简并．然而,MX2在外加电场的调控下静电势产生镜面对称破缺,使得在Γ点处自旋劈裂.Rashba自旋轨道耦合效应与谷自旋劈裂效应在半导体自旋电子学与谷电子学中将会有特殊的应用前景,值得进行深入而系统的研究．本文采用第一性原理计算方法,系统研究了电场对二维过渡金属硫化物中Rashba自旋轨道耦合效应的调控作用,并揭示了非极性二维过渡金属硫化物MX2中电场对Rashba自旋轨道耦合调控的规律．1 计算方法采用基于密度泛函理论的第一性原理计算模拟软件包Vienna Ab-initio Simulation Package(VASP)进行理论计算[28],研究自旋轨道耦合效应[29-30]．交换关联能采用广义梯度近似 Generalized Gradient Approximation(GGA)中的 Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)方法[31]．我们对K点、截断能、真空层的选取进行了总能的收敛性测试．自洽计算中的截断能为500 eV,z方向的真空层厚度为20˚A．基于Monkhorst-Pack方法,在晶体结构弛豫时,布里渊区的K格点为15×15×1,在静态自洽计算中的K格点为20×20×1．在晶体结构的弛豫过程中,当原子间的Hellmann-Feynman力小于1 meV/˚A时,结构优化停止．在施加电场时,考虑了偶极修正,即在真空中加入一个外偶极层[32]．本文计算了6种二维过渡金属硫化物MX2(M=Mo,W;X=S,Se,Te)体系在电场作用下的电子能带结构及布里渊区Γ点处价带顶的自旋分布．随着电场的加大,分别分析了这6种材料在Γ点附近的Rashba自旋轨道耦合效应,并做了详细的比较研究．2 计算模型过渡金属硫化物(Transition-Metal Dichalcogenides,TMDs)的块体材料与石墨类似,层与层之间由微弱的范德瓦尔斯力相互作用结合在一起．经过物理剥离或化学制取的方法[33-34],可以获得单层的TMDs结构,即二维过渡金属硫化物MX2(M=Mo,W;X=S,Se,Te),其晶体结构如图1(a)、图1(b)所示,该二维单层结构从侧面看为X-M-X夹层的三明治模型,而从俯视图中可以看到类似石墨烯表面的六角蜂窝状结构．由于反演对称性的破缺,单层MX2空间群为P¯6m2(D13h),其第一布里渊区如图1(c)所示,图中标出了主要的高对称点(Γ,K,K′,M),由于单层MX2的空间反演对称性破缺,K和K′是不等价的．图1(d)为单层MX2在无外加电场作用时Γ点附近价带顶处的能带结构示意图,可以看出能带处于简并的状态．图1(e)为单层MX2在较大电场下Γ点附近价带顶处的能带结构示意图,表现出较大的Rashba自旋劈裂现象．典型的Rashba自旋轨道耦合效应可以用哈密顿量HR=λ(∇V×p)·σ= αR(σxky−σykx)来表示,其中∇V表示电势梯度,p表示电子的动量,σ表示泡利算符(σx,σy,σz)．线性Rashba劈裂能量色散关系可以表示而Rashba自旋轨道耦合参数αR可以通过公式其中ER表示Rashba能量,kR表示动量偏移,如图1(e)所示．3 计算结果与分析3.1 外加电场下单层WTe2的电子自旋结构由于二维过渡金属硫化物MX2(M=Mo,W;X=S,Se,Te)体系中6种材料的电子结构相似性,本文以单层WTe2为例,详细分析该结构在不同情况下的电子能带结构图．图2(a)和图2(b)分别为单层WTe2在不含和含有自旋轨道耦合修正项时沿着高对称点Γ−M−K−Γ−K′的电子能带结构图.从理论计算结果可以看到,单层WTe2为导带底和价带顶在K/K′点处的直接带隙半导体,在计算中添加了自旋轨道耦合修正项后,由于空间反演对称破缺,原本简并的能带在高对称点K和K′处的发生了劈裂,橙色和蓝色表示在价带顶处劈裂的能带．另外,由于单层WTe2存在镜面对称(x,y,z)→(x,y,−z),使得垂直于表面的势梯度总和为0,因此在Γ点附近并未出现Rashba自旋劈裂现象．然而,当在垂直于二维结构表面的z方向上施加一个较大的外电场Eext=0.8 V/˚A时,单层WTe2的能带结构在Γ点附近出现了明显的Rashba自旋劈裂现象,如图2(c)所示.由于外电场的作用导致了二维结构中垂直于表面的静电势梯度发生变化,从而破坏了单层WTe2的电子能带结构在Γ点附近的自旋简并态．因此可以看出,外电场可以有效地调控二维MX2中的Rashba自旋轨道耦合效应．图1 (a)、(b)二维MX2结构的侧视图和俯视图,其中蓝色球表示过渡金属元素M(Mo,W),橙色球表示硫族元素X(S,Se,Te);(c)二维MX的第一布里渊区示意图,其中−→b和−→b为倒格子基212矢;(d)自旋简并的能带示意图;(e)Rashba自旋劈裂能带示意图Fig.1 (a)Side view and(b)top view of the MX2monolayer structure,with the blue and the orange ball representing transition metals and chalcogenides,respectively;(c)The first Brillouin zone of the MXmonolayer with the reciprocal lattice vector −→band −→b;212 Schematic band structure for(d)spin degeneracy and(e)Rashba splitting图2 单层WTe2能带结构图Fig.2 Band structures of the WTe2monolayer通过第一性原理的计算结果,分析单层WTe2在价带顶的自旋分布情况,结果如图3所示. 图 3(a)–图 3(c)分别为在外加电场Eext=0 V/˚A,0.1 V/˚A,0.8 V/˚A 时的自旋分布图,其中红色箭头表示面内的自旋极化分布,蓝色和黄色区域分别表示面外的自旋极化分布．从图3(b)可以看到,施加电场后,从布里渊区中心Γ点到布里渊区边界K点,自旋极化方向从面内转向垂直,并且随着电场的增大,Γ点附近的面内自旋分布逐渐增多．图 3 (a)–(c) 外加电场Eext=0 V/˚A,0.1 V/˚A,0.8 V/˚A 时,单层 WTe2价带顶能带中的自旋分布图Fig.3 (a)–(c)Distribution of the spin polarization of the WTe2monolayer in the highest valence band under the external electric fields Eext=0 V/˚A,0.1 V/˚A,0.8 V/˚A,respectivel y3.2 外加电场下单层MX2的Rashba自旋劈裂为了更好地研究二维过渡金属硫化物MX2(M=Mo,W;X=S,Se,Te)6种材料中外加电场对Rashba自旋轨道耦合效应的影响,我们计算了这6种材料在不同外加电场下的电子能带结构．由计算结果可知,二维结构的MoS2和WS2、MoSe2和WSe2、MoTe2和WTe2等在Γ点附近价带顶的能带结构具有很大的相似性,因此,在图4中只列出了单层WS2、WSe2、WTe2分别在外加电场Eext=0V/˚A,0.2V/˚A,0.4 V/˚A,0.8 V/˚A 时, Γ点附近价带顶的能带结构图．从横向结果可以看出,随着电场的增大,Γ点价带顶附近的Rashba自旋劈裂逐渐增大;从纵向结果可以看出,在相同的过渡金属元素M(M=Mo,W)中,随着X(X=S,Se,Te)的原子序数增大,MX2在Γ点的劈裂程度随电场增大愈加明显,这充分说明了阴离子X对于电场调控起到重要作用．更进一步地,我们对第一性原理的计算结果进行详细分析.根据图1(e)及公式得到二维过渡金属硫化物MX2(M=Mo,W;X=S,Se,Te)6种材料的Rashba自旋轨道耦合参数αR,数值分析结果如图5所示,其中,蓝色三角形、红色五角星和紫色圆形曲线分别表示MoS2和WS2、MoSe2和WSe2、MoTe2和WTe2的Rashba自旋轨道耦合参数αR随着电场变化的情况,其中空心图形表示MoX2(X=S,Se,Te),实心图形表示WX2(X=S,Se,Te)．可以看出,随着电场的增大,Rashba自旋轨道耦合参数αR呈线性增加．6种材料的Rashba自旋劈裂大小依次为:WTe2＞MoTe2＞WSe2＞MoSe2＞WS2＞MoS2．这说明相同电场作用下,阴离子X对电控Rashba自旋轨道耦合起主要作用,阴离子原子序数越大;Rashba自旋轨道耦合越大.当阴离子给定时,例如阴离子为Te时,阳离子M的原子序数大小决定电控Rashba 自旋轨道耦合,即WTe2＞MoTe2.图 4 (a)–(c) 单层WS2、WSe2、WTe2分别在外加电场 Eext=0V/˚A,0.2V/˚A,0.4 V/˚A,0.8 V/˚A 时,Γ点附近能带结构图Fig.4 (a)–(c)Band structure of the WS2,WSe2and WTe2monolayers under the external electric fi elds Eext=0 V/˚A,0.2V/˚A,0.4 V/˚A,0.8 V/˚A,respectively图5 Rashba自旋轨道耦合参数αR随电场的变化Fig.5 Dependence of Rashbaparameter αRon the external electric fields4 结论本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了二维过渡金属硫化物MX2(M=Mo,W;X=S,Se,Te)中的电控Rashba自旋轨道耦合效应．研究表明：在垂直外电场作用下,MX26种材料中Rashba自旋劈裂随电场的增大而增大;阴离子X对电场诱导的Rashba自旋轨道耦合效应起到重要作用,随着X的原子序数增大,Rashba劈裂随电场增大愈明显;而阳离子M被阴离子覆盖,影响较弱．6种单层MX2中,Rashba自旋劈裂大小依次为:WTe2＞MoTe2＞WSe2＞MoSe2＞WS2＞MoS2,且自旋轨道耦合强度随电场线性变化.此外,在价带顶能带中,从布里渊区中心Γ点到布里渊区边界K/K′点,自旋方向从平面内转向垂直方向．[参考文献][1] WINKLER R.Spin-Orbit Coupling Effects in Two-Dimensional Electron and Hole Systems[M].Berlin:Springer,2003.[2] DATTA S,DAS B.Electronic analog of the electro-optic modulator[J].Appl Phys Lett,1990,56(7):665-667.[3] MANCHON A,KOO H C,NITTA J,et al.New perspectives for Rashba spin-orbit coupling[J].Nat Mater,2015,14(9):871-882.[4] CHUANG P,HO S-C,SMITH L W,et al.All-electric all-semiconductor spin field-effect transistors[J].Nat Nanotechnol,2015,10(1):35-39.[5] NITTA J,AKAZAKI T,TAKAYANAGI H,et al. 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二维原子层谷电子学材料和器件

专题—原子制造：基础研究与前沿探索二维原子层谷电子学材料和器件*孙真昊管鸿明付雷沈波唐宁†(北京大学物理学院, 人工微结构与介观物理国家重点实验室, 北京　100871)(2020 年8 月27日收到; 2020 年9 月14日收到修改稿)人为操控电子的内禀自由度是现代电子器件的核心和关键. 如今电子的电荷和自旋自由度已经被广泛地应用于逻辑计算与信息存储. 以二维过渡金属硫属化合物为代表的二维原子层材料由于其具有独特的谷自由度和优异的物理性质, 成为了新型谷电子学器件研究的优选材料体系. 本文介绍了能谷的基本概念、谷材料的基本物理性质、谷效应的调控和谷电子学器件的研究进展, 并对谷电子学材料和器件的研究进行了总结与展望.关键词：二维过渡金属硫属化合物, 谷电子学PACS：73.63.–b, 73.90.+f, 73.43.–f　DOI: 10.7498/aps.70.202014151 引　言1965年英特尔创始人之一戈登·摩尔提出了著名的摩尔定律: 集成电路上可容纳的元器件数目,每隔18个月便会增加1倍. 现今十分成熟的硅基光刻工艺保证了芯片元件特征尺寸可以做到几个纳米的量级. 但当芯片尺寸继续降低, 由于能耗和量子效应的影响, 电路集成度、器件运行速度接近理论极限. 在此背景下, 寻找新型电子自由度、发展新型电子器件成为重要的研究方向之一.近年来, 电子的一种新型内禀自由度“能谷”被发现并被用来研究和发展新型电子学器件. 能谷是晶体布洛赫电子能带的极值点, 其形似“山谷”而得名. 类似于电子自旋自由度, 能谷自由度也被称作赝自旋. 能谷器件相比传统器件有着运算速度快、集成度高、信息不易失真、能耗低等优点, 因此“谷电子学”近年来成为凝聚态方向研究的热点[1−5].谷电子学的发展与二维原子层材料的研究密不可分. 早期石墨烯被证实通过人为手段打破空间反演对称性可以出现依赖于能谷的光学、电学性质[6,7]. 与石墨烯不同, 单层过渡金属硫属化合物(transition metal dichalcogenides, TMDCs)晶体结构不具有空间反演对称性, 贝里曲率非零, 另外能谷与自旋之间存在强耦合[8], 通过光[9]或电磁注入自旋[10]的方法可以实现特定能谷的极化. 单层与多层TMDCs材料之间对称性的不同也提供了人为调控能谷性质的途径. 因此TMDCs材料成为了研究能谷效应、构建能谷器件的重要研究平台.本文将从以下几个方面介绍原子层材料的能谷性质与器件: 首先简要介绍能谷的物理概念及能谷效应; 在第3节介绍TMDCs材料能带性质;第4节介绍多层TMDCs材料的能谷效应; 第5节介绍能谷极化的实现手段; 最后简要介绍能谷器件的研究进展.2 能谷效应能谷, 指的是晶体中电子能量在动量空间中的极值. 在一些半导体材料能带中, 会出现几个能量* 国家重点研发计划(2016YFB0400802, 2018YFB0406603, 2018YFE0125700)和国家自然科学基金(批准号: 61574006, 61927806, 61521004, 11634002)资助的课题.† 通信作者. E-mail: ntang@© 2021 中国物理学会 Chinese Physical Society 简并但不等价的能谷. 谷电子学就是在合适的能谷材料基础上, 对不同能谷态进行调控和信息处理[11,12].能谷的研究最早可以追溯到20世纪70年代[13,14]. 21世纪初开始, 一些传统材料, 例如AlAs 异质结构[15,16], 硅[17,18], 金刚石[19], 铋[20]的能谷性质逐步被研究, 但这些材料能谷极化与调控难以实现. 随着石墨烯、二维TMDCs等材料的出现, 具有六角晶格结构的二维原子层材料在谷电子学研究材料体系中脱颖而出. 以石墨烯为例, 其晶格由两套布拉伐格子子晶格嵌套而成, 在倒空间形成一组由时间反演对称性联系的两重简并能谷, 记为K, K'. K能谷与K' 能谷在宏观上的性质主要取决于能谷中的贝里曲率[6,7,21]. 贝里曲率是贝里相位的拓展, 是描述电子布洛赫态的函数, 代表了晶体自身结构的性质. 贝里相位是系统哈密顿量依赖的参数在参数空间中缓慢变换一个回路时系统波函数改变的相位. 在晶体中, 系统哈密顿量与晶体倒空间波矢有关, 由此当波矢在倒空间布里渊区进行一个回路的演化时, 晶体系统布洛赫波函数会演变出贝里相位, 如下公式计算[21]:µn,kA n(k)ϕ=C A·d r=∫∫S(∇×A)·d SA n(k)∇×A n(k)其中, 是第n个晶体能带在倒空间动量坐标k 处的布洛赫波周期函数部分, C为闭合回路,被称为贝里联络(Berry Connection). 通过(1)式可发现相位不依赖于时间并且形式与电动力学中的磁通量类似. 贝里相位中的被积函数的环路积分可以化为函数旋度在环路所包围的面上积分, 此时为规范不变量,被称为贝里曲率, 可以证明得到[21]:Ωn(k)Ωn(k)=Ωn(−k)Ωn(k)=−Ωn(−k)H=at(τz k xσx+k yσy)+∆2σz根据贝里曲率的表达式可以发现由系统的对称性决定. 当系统仅具有空间反演对称性时, 贝里曲率满足; 当体系仅具有时间反演对称性时, 贝里曲率满足.因而当空间反演对称与时间反演对称同时被保护时, 贝里曲率为零, 能谷效应消失. 理论研究曾提出石墨烯材料的能谷性质需要利用外界手段打破空间反演对称[6,7], 空间反演破缺的能隙石墨烯的哈密顿量为: [6], 其中, a是晶格常数, t是最近邻碳原子之间的跃迁概τz=±1∆Ω(k)=τz3a2∆t22(∆2+3k2a2t2)32率, 为能谷序数, 是能隙大小. 在此哈密顿量下, 导带能谷电子的贝里曲率为:[6], 方向垂直于样品面, 显然从理论结果中也可以看出当石墨烯能隙为零时, 贝里曲率也为零.m(k)= eℏε(k)Ω(k)Ωn(k)=−Ωn(−k)伴随能谷电子布洛赫态非零贝里曲率出现的是能谷的轨道磁矩[6,7,21], 代表着布洛赫电子波包围绕其中心的转动. 在两带模型近似下, 能谷的轨道磁矩与贝里曲率之间有简单的关系:. 由于时间反演对称性, K谷与K' 谷的贝里曲率满足关系, 因此两个能谷有着大小相同方向相反的轨道磁矩. 类比于自由电子上自旋和下自旋, 不同能谷可以由轨道磁矩区分, 与之相关的贝里曲率则可以被描述为参数空间的有效磁场. 在空间反演对称性破缺石墨烯体系中, 导带轨道磁矩在倒空间的分布如图1所示[6],贝里曲率有着与其类似的分布./2SS-112--12--12--12-12-12-10−−/pS -120/eV图 1 空间反演对称性破缺的石墨烯的能带(上半部分)和导带轨道磁矩(下半部分). 贝里曲率分布和轨道磁矩类似[6]Fig. 1. Energy bands (top panel) and orbital magnetic mo-ment of the conduction bands (bottom panel) of a graphene sheet with broken inversion symmetry. The Berry curvature W(k) has a distribution similar to that of m(k)[6].如上所述, 贝里联络和贝里曲率分别等效于波矢空间中的磁矢势和磁场. 与存在磁场时电子会发生霍尔效应的情况类似, 当系统存在非零贝里曲率时, 载流子运动同样会受其影响产生谷霍尔效应.在外磁场为零时, 晶体中电子的运动方程需要在经典表达式中加入与贝里曲率有关的反常速度项,即[21]ε(k )σH (τz )=τz e 2h [1−∆2µ−3∆t 2k 2F a28µ3]µk F µ=√∆2+3k 2F a 2t 2/2其中是电子能量. 在经典体系中载流子速度与外加电场方向一致; 而当系统存在非零贝里曲率时, (3)式中的反常速度项会引起电子垂直于电场方向的横向运动. 由(3)式可见, 反常速度与贝里曲率的大小方向有着重要的联系. 对于空间对称性破缺的石墨烯, 其本征谷霍尔电导率为 , 其中化学势与费米波矢的关系为 [6].Ωn (k )=−Ωn (−k )=0不同于石墨烯, 以单层MoS 2为代表的单层TMDCs 材料本身具有时间反演对称性而缺乏空间反演对称性, 贝里曲率满足 , 因而早期能谷研究利用TMDCs 材料围绕发现、验证能谷自由度展开了大量的工作. 单层TMDCs 材料中K 谷和K' 谷中的贝里曲率大小相等方向相反, 在外加电场的作用下, 根据(3)式,K 谷和K' 谷中的载流子在垂直于电场方向具有不同方向的反常速度, 导致K 谷与K' 谷的载流子分别向沟道两侧进行偏转, 实现谷霍尔效应[8]. 值得注意的是, 在贝里曲率的影响下, 谷霍尔效应和自旋霍尔效应会在沟道两侧积累不同能谷和自旋序数的电子与空穴, 因而复合过程要通过谷间散射来辅助完成[8].TMDCs 材料的谷霍尔效应最早在单层MoS 2中被实验观测到[22]. 由于谷霍尔效应在能谷简并的材料中产生的能谷流并不能直接在沟道两侧形成电势差, 因此需要外加圆偏振光辅助. 这是由于TMDCs 材料具有圆偏振光选择性, 特定手性的圆偏振光会产生K 和K'谷的极化. 实验结果如图2所示, 单层MoS 2在左旋或右旋圆偏光的作用下,沟道两侧均能观测到和源漏电压成正比的霍尔电压; 双层MoS 2由于空间反演对称性的保护不能测到霍尔电压.在之后几年, TMDCs 材料的谷霍尔效应研究受到了广泛的关注. 2016年宾夕法尼亚大学研究团队在双层MoS 2体系中通过栅电场打破材料空间反演对称性, 成功诱导出谷霍尔效应[23], 此实验说明了能谷效应可以在过原子层面通过人为调控来实现. 2017年, 单层TMDCs 材料圆偏振光激发诱导的谷霍尔效应被证实来源于激子和带电激子的贡献[24]; 2019年, n 型和p 型的单层WSe 2晶体管通过低温克尔(Kerr)光谱观测到了谷霍尔效应[25]. 同年, 单层MoS 2的霍尔结构器件在输运实验中被测量到了非局域霍尔电压, 成功在TMDCs 体系中实现了纯电学的谷霍尔效应观测[26,27], 实验示意图如图3所示[26].上述研究中提到了二维原子层材料能谷的另一个重要性质—圆偏振光选择定则. 众所周知,半导体光学跃迁需要满足能量守恒、动量守恒及角动量守恒. 角动量守恒要求在跃迁前后磁量子数保持守恒, 而这一守恒条件直接导致了材料对左右旋光选择性的吸收. 二维原子层材料能谷圆偏振选择定则的理论研究早期在石墨烯体系中完成[7]. 研究人员计算得到在空间反演对称性打破的石墨烯材料中, 圆偏振光跃迁极化度与能谷的轨道磁矩及体系贝里曲率有着如下关系. 圆偏振光极化定义为-0.4-0.200.20.4-30-20-100102030R -L L -R s -pBilayer, R -LH /m V/V,130 m W Sm m -2,1.9 eV g =0 V图 2 单层器件和双层器件霍尔电压随着源漏偏压的变化关系[22]Fig. 2. The source-drain bias dependence of the Hall voltage for the monolayer device and bilayer device [22].e eMoS 2(monolayer)VHEiVHEDC nlValley current (charge neutral)Charge current (local)Charge accumulation(nonlocal)图 3 单层MoS 2中谷霍尔效应与逆谷霍尔效应导致的能谷流示意图[26]Fig. 3. Schematic of valley-coupled topological current due to VHE and inverse VHE (iVHE) in monolayer MoS 2[26].P ±(k )=⟨c |p x ±i p y |v ⟩其中是带间跃迁矩阵, 表示k 点的电子在旋光激发下从价带到导带的跃迁. 在两带模型近似下, 圆偏振光极化度[7]可表示为η(k )=−τz 在能谷的极值点, , 即K 谷的跃迁只与左旋光耦合, K' 谷的跃迁只与右旋光耦合. 这一性质使得光学激发、调控、探测能谷极化成为可能.单层和多层的石墨烯在不同外界手段打破对称性的条件下, 被理论计算验证了圆偏振选择定则[7]. 但由于石墨烯本身缺乏带隙, 能谷圆偏振光选择定则很难通过实验验证, 因而单层TMDCs 材料成为实验验证能谷光学响应的理想材料[28−30].单层MoS 2中的圆偏振光选择定则在2012年基于科恩-沈吕九(Kohn-Sham)波函数密度泛函微扰理论计算结合圆偏振荧光(photoluminescence, PL)谱实验成功验证[28]. 实验中利用了633 nm 光激发的圆偏振PL 谱对能谷进行表征, 结果如图4所示[28].D e g r e e o f c i r c u l a r p o l a r i z a t i o n /%P L i n t e n s i t y /c o u n t s 01020304050020040060080010001.61.81.71.9Energy/eVσ+σ−图 4 单层MoS 2在83 K 下的圆偏振极化PL 谱和PL 谱的圆偏振极化程度. 红色和蓝色曲线分别对应于发光光谱中和极化强度, 黑色曲线是净极化的大小[28]σ+σ−Fig. 4. Circularly polarized micro-PL of monolayer MoS 2 at 83 K, along with the degree of circular polarization of the PL spectra. The red and blue curves correspond to the in-tensities of and polarizations, respectively, in the luminescence spectrum. The black curve is the net degree ofpolarization [28].σ+σ+σ−可以发现在左旋的激发下, 的荧光强度要显著大于的荧光强度. 荧光的偏振度即表征着K 与K' 谷的谷极化度, 可以由下式计算:I (σ+)I (σ−)σ+σ−其中, 和分别代表和的荧光强度. 实验测得了50%的谷极化度, 谷极化度无法达到理论中的100%的原因是光子复合跃迁会伴随着声子参与的K 和K' 谷间散射. 实验在激发K (K')谷的同时在K'(K )谷中也会产生复合发光的过程.同年, 另外两个研究组在实验上也验证了单层MoS 2材料中的圆偏光选择定则[29,30], 并讨论了谷间弛豫及温度对圆偏光极化率的影响. 在低温区域, 能谷间散射主要由缺陷、杂质和边界引起; 而当温度大于90 K 时, 荧光谱的极化率随着温度的升高快速下降, 表明较高温度下谷间散射由声子辅助占主导[30]. 为了能在室温下应用能谷效应, 研究人员曾利用调制样品质量的手段在室温下测量到了能谷的圆二向色性[31,32], 而在2018年通过将MoS 2生长在(0001)方向的纤锌矿GaN 衬底, 能谷的圆偏振荧光极化度在室温下达到了33%[33]. 对于能谷圆二向色性的实验研究也不仅局限于PL 谱的测量, 2015年单层WSe 2材料体系通过测量左旋和右旋抽运光产生的Kerr 旋转信号探测到能谷圆偏振光选择性吸收的现象[34]. 而以能谷圆二向色性为基础的时间分辨Kerr 实验又成功探测了电子[35]、空穴[36]及受栅压调控的单层WSe 2载流子能谷寿命[37].如上所述, 大量实验结果验证了二维TMDCs材料体系中能谷圆偏振选择定则与谷霍尔效应, 这两种能谷效应也成为了研究和利用能谷自由度的重要手段.3 TMDCs 材料的能带性质随着晶体生长和原子层尺度加工技术的提升,MoS 2为代表的二维TMDCs 材料在电子器件、光电器件、传感器、析氢反应催化剂等领域开始显现重要的应用前景[38]. 在谷电子学方面, 其单层材料天然具有反演破缺的性质, 具有谷电子学性质[8,22−30].为了更深入理解TMDCs 材料能谷性质, 我们将以MoS 2为例介绍单层、多层TMDCs 材料的能带结构.TMDCs 材料的化学分子式为MX 2, M 为过渡金属元素, X 为硫属元素. 单层TMDCs 材料结构类似于“三明治”, 中间的Mo 原子被两层外侧的S 原子以共价键相结合; 体材料由单层通过范德瓦耳斯相互作用结合形成, 层间距约为6.5 Å[39].层与层之间堆垛方式的不同可以将TMDCs 体材料分为2H , 3R , 以及1T 相3类[40], 一般情况下体材料多以2H 与1T 形式存在, 其中2H 是半导体性质, 1T 是金属态.谷电子学材料的性质取决于能带结构. 在TMDCs 材料中, 能带结构会随着原子层数的变化产生奇特的转变. 随着层数的减少, TMDCs 材料会由间接带隙半导体转变为直接带隙半导体[41,42],这是源于单层材料量子限制所导致的Mo 原子的d 轨道与S 原子的p z 轨道杂化形式变化[42]. 第一性原理计算得到的不同层数MoS 2能带结构如图5所示[42].Γ单层MoS 2直接带隙位于K 点. 随着层数的增加, 层间耦合作用增强, 导带底移至L 点, 价带顶移至点. 此时带间的光学跃迁需要声子的协助才能实现, 因此其PL 谱不同于单层[41], 如图6所示.从PL 谱中可以明显看到多层材料在1.4—1.6 eV 范围内出现较宽的发光峰, 此峰来源于带间的间接跃迁. 而在1.90 eV 和2.05 eV 处出现两个发光峰, 其代表着K -K 跃迁的两种激子态, 即A 激子与B 激子. 二者150 meV 的能量差主要来源于价带自旋轨道耦合作用导致的能量分裂[41]. 由于金属原子d 轨道的性质, 二维 TMDCs 中带边的电子和空穴存在强烈的自旋轨道耦合. 在单层材料中空间反演对称性被打破, 时间对称性受到保护, 产生Kramer 简并, K 谷与K' 谷出现自旋分裂且带边自旋恰好相反. 与价带极高的自旋轨道分裂能不同, 导带带边主要由磁量子数m = 0的轨道组成, 自旋轨道分裂能仅在10 meV 量级左右. 价带的强自旋分裂引起了能谷自旋间的耦合, 即能谷序数与自旋序数的锁定. K 谷价带顶电子自旋方向与K' 谷相反, 由于K (K' )能谷的圆偏光二向色性, 特定频率的左旋或右旋光会激发特定自旋的K 谷或K' 谷电子. 能谷自旋耦合也使得能谷极化可以通过自旋注入实现, 这对能谷器件的构建有着重要意义. 另一方面, 单层TMDCs 材料的自旋轨道耦合与通常Rashba 自旋轨道耦合的等效磁场不同, 其磁场方向在能谷周围都是垂直于样品表面, 且大小高达几百特斯拉. 在此大磁场下, 电子自旋方向被钉扎在面外, 面内磁场难以改变自旋方向, 有利于实现伊辛超导. 因而TMDCs 独特的能谷性质在超导领域也有着卓越的表现[43].设计能谷器件首先需要构建“0”, “1”开关态.能谷是电子和空穴在倒空间离散的内禀自由度, 因此可以将能谷自由度类比自旋自由度, 使载流子在动量空间中离散的占据位置作为能谷的赝自旋, 通过能谷间不同的占据状态编码“0”, “1”信息态. 相比于此编码方式, “0”, “1”态也可以通过材料的贝里曲率、能谷轨道磁矩的有无来实现, 其基础就是材料能带结构的变化, 例如石墨烯对称性通过外加栅压的改变.外加应力就是一种极为常见且有效的能带调控手段. 单层MoS 2中K 谷是直接带隙并且具有能谷性质. 通过外加应力的手段改变单层MoS 2的能带结构, 使材料变为间接带隙半导体就可以有效地改变其复合路径, 减弱能谷复合的圆二向色性. 同时单层MoS 2材料由于原子层厚度的优势, 在柔性光电子器件领域也有着很好的应用前景[44,45], 因此应力环境下材料能带结构的变化在谷电子学和光E n e r g y(a)(b)(c)(d)图 5 (a)体MoS 2, (b)四层MoS 2, (c)双层MoS 2和(d)单层MoS 2的能带结构. 实心箭头表示最低能量跃迁. 体和多层MoS 2具有间接带隙特性. 对于单层MoS 2, 它变为直接带隙半导体[42]Fig. 5. Calculated band structures of (a) bulk MoS 2, (b) qua-drilayer MoS 2, (c) bilayer MoS 2, and (d) monolayer MoS 2.The solid arrows indicate the lowest energy transitions.Bulk MoS 2 is characterized by an indirect bandgap. For monolayer MoS 2, it becomes a direct bandgap semicon-ductor [42].N o r m a l i z e d P LPhoton energy/eV图 6 单层到6层MoS 2样品A 激子峰强度的归一化PL 光谱[41]Fig. 6. Normalized PL spectra by the intensity of peak A of thin layers of MoS 2 for number of layers = 1–6[41].Γ电器件领域都有着重要的研究意义. 理论计算结果表明, 在足够的张应变或者压应变下, 单层MoS 2的能带结构会由直接带隙转变为间接带隙. 不同的是, 张应变下能带结构的转变是由价带顶从K 谷转变为谷造成的, 而压应变下则是由导带底从K 谷转变为L 谷造成的[46]. 在实验方面, 研究人员通过对单层MoS 2施加单轴应变的方式证明了直接带隙向间接带隙的转变[47], 而通过流体静压力实验则发现单层MoS 2直接间接带隙转变的具体成因是由于导带底从K 谷向L 谷的移动[48], 移动则是由于S—Mo—S 键角会随外加压力的增大而增大[49]. 如上所述, 应力可以有效改变材料的能带结构, 这一变化为能谷器件的研制提供了新的可尝试实现途径.4 多层TMDCs 材料的能谷效应单层TMDCs 材料一般难以通过电学手段调控能谷效应的“有”“无”, 多层材料则可以通过外加栅压的方式打破空间反演对称性, 从而诱导出能谷效应. 正如第2节所述, 外加人为手段可以打破石墨烯的空间反演对称性, 使其无质量的狄拉克费米子消失, 能带的贝里曲率非零, 出现能谷圆偏振光选择定则和谷霍尔效应[6,7]. 在此背景下, 很多研究组都在实验上验证了能隙石墨烯中的能谷输运与可调控的谷霍尔效应[50−53].2015年东京大学的研究团队[52]利用栅极电场打破双层石墨烯的空间反演对称, 成功实现了纯能谷流的产生与检测. 实验在器件一侧沟道中接入恒流源, 由于谷霍尔效应, 不同谷序数的电子在纵向沟道中向相反方向运动, 能谷流不为零而电荷流为零. 类比自旋霍尔效应与其逆效应[54], 能谷流由于逆谷霍尔效应会在另一侧的横向沟道中积累电荷引起电势差. 非局域霍尔器件结构既可以作为能谷流的源来使用, 同时受栅极调控的电压输出也可构建逻辑功能.相比于石墨烯, TMDCs 材料具有较大的带隙[41,42]及较强的自旋轨道耦合[55,56], 更适合作为能谷器件的材料. 与石墨烯材料的可调控能谷效应类似, 在双层或者多层TMDCs 材料中也可通过人为调控实现能谷效应.2013年, TMDCs 材料能谷自由度成功通过电学手段实现调控, 在双层MoS 2场效应晶体管中,PL 谱圆偏振极化度会随着外加栅压的变化而变化[57]. 2014年复旦大学的研究团队通过对单层MoS 2进行“折叠”, 人为制造了空间反演破缺的双层MoS 2材料, 诱导出非零的贝里曲率与轨道磁矩并观测到了受结构对称性影响的能谷极化[58]. 2016年,双层MoS 2中的谷霍尔效应利用背栅电压成功诱导出现[23]. 实验利用Kerr 转角测量的方法在输运沟道两侧探测到了极化相反的信号. Kerr 转角在传统半导体例如GaAs 等材料中是测量自旋极化的重要手段, 其正比于自旋磁化强度[59,60], 而在此实验中则是与能谷轨道磁矩相关. 实验结果证实谷霍尔电导率受到栅极电压的连续调控, 相比于单层材料, 上述双层材料具有的能谷效应可操控性更符合谷电子学器件的需求.但单层及少层的TMDCs 材料中费米能级钉扎效应明显, 采用传统的蒸镀工艺方法制作欧姆接触极其困难[61−63]. 相比之下, 多层TMDCs 材料的加工会容易很多, 同时多层材料相比于单层材料其电导率等电学性质更好, 上述的优点使得能谷器件的研究也围绕多层TMDCs 材料开展. 2013年, 多层WSe 2材料体系首次通过外加离子液体栅引入电场的手段打破自身空间反演对称, 探测到了类塞曼型自旋轨道耦合劈裂[64]. 实验通过电学输运手段测量到了K (K' )谷空穴弱局域化磁阻信号向弱反局域化信号的转变, 并用第一性原理计算得到自旋轨道耦合分裂能可以达到300 meV. 多层TMDCs 材料为间接带隙, 直接通过光学手段例如复合圆偏发光信号很难获取能谷信息, 因此可以采用圆偏光电流效应(circular photogalvanic effect, CPGE)测量诱导出现的能谷自由度. 在传统半导体中CPGE 来源于自旋轨道耦合导致的k 空间能带劈裂, 而TMDCs 材料中CPGE 的起源与其有所区别. 在空间反演对称性破缺的TMDCs 材料中, 圆偏振光会选择性激发K 谷或者K' 谷, 而K 谷或者K' 谷存在依赖于动量的非对称光吸收过程[65]. 在圆偏振光激发后, 3个K 或K' 谷处会出现载流子在动量空间的非平衡分布, 引起的CPGE 电流在受激发的3个等价能谷都是沿着垂直于入射光方向, 因此总电流不会因为对布里渊区求和而抵消. 但K 和K' 谷两者贡献的总CPGE 电流恰好相反, 因此只有在材料具有圆偏振选择定则的前提下, CPGE 电流信号才能测量到. 2015年在实验中观察到了单层MoS 2的CPGE 现象[66], 通过栅压打破对称性也同样测量到了多层WSe 2的CPGE 信号[67],但是此多层光电流信号来源于导带L 谷的带内跃迁, 并非K (K' )谷的信号. 2017年, 多层MoS 2材料中K (K' )的CPGE 信号被观测到[68]. 实验利用与A 激子共振的圆偏振激光激发多层MoS 2材料,在没有离子液体栅的情况下, 由于多层MoS 2材料具有空间反演对称性, CPGE 信号消失, 如图7(a)所示. 加上离子液体栅后沟道内出现明显的CPGE 电流, 如图7(b)所示[68]. 结果表明离子液体栅打破多层MoS 2的空间反演对称性后, 体系产生非零贝里曲率, K (K' )谷出现圆偏振二向色性.在多层体系中除了外加电场的方法打破空间对称性, 控制TMDCs 晶体生长为3R 相同样会产生能谷效应[69]. 3R 相的MoS 2单晶空间群为R 3m ,晶体本身空间反演对称性破缺, 能谷电子会解除自旋简并, 光学激发的极化能谷在层间的弛豫会受到极大地抑制[69]. 而在设计多层材料能谷器件中, 实现K 谷与K' 谷在空间上的分离也是重要的一步,最直接的方法就是实现谷霍尔效应. 2019年, 多层WSe 2材料通过外加离子液体栅诱导产生了谷霍尔效应, 实验实现了多层TMDCs 体系中K 和K'谷载流子的极化与空间上的分离, 进一步扩展了谷电子学的研究体系[70].总之, 无论是双层还是多层TMDCs 材料, 都可以通过人为手段在体系中引入非零贝里曲率. 研究结果进一步说明多层TMDCs 材料能谷效应可以被人为手段调控, 有希望用于谷电子学器件.5 能谷的极化能谷中载流子的极化在谷电子学器件应用中十分重要. 在单层TMDCs 材料中自旋与能谷之间的强耦合提供了一个操纵能谷自由度的方法, 即利用光电手段直接注入自旋极化载流子实现能谷的注入. 而能谷极化也可以通过打破K 谷与K' 谷之间的简并实现, 最常见的手段就是加入磁场产生塞曼分裂, 分裂大小可以通过掺杂铁磁原子, 利用铁磁近邻效应等方法增强.谷注入最直接的方法就是利用能谷圆偏光选择定则实现光学注入. 2016年香港大学的崔晓冬研究组[9]利用圆偏振光在WS 2场效应晶体管中激发产生了与能谷序数相耦合的自旋电流. 在圆偏振光选择定则的制约下, 相同激发波长下的左旋光与右旋光将分别激发K 谷与K' 谷的电子. 实验器件两端由隧穿绝缘层和铁磁金属组成了自旋阀的结构, 在电极磁化时, 左旋与右旋光在沟道中产生的电流大小不同, 实现了沟道高低电阻态之间的转化, 验证了沟道中能谷的光学注入. 但上述的光学激发手段在集成电路中无法实现, 因而利用电学方法注入自旋实现能谷极化是谷电子学器件研究的重点. 2016年, 加州大学伯克利分校的张翔研究组和半导体所的赵建华研究组合作, 利用p 型导电的稀磁半导体(Ga, Mn)As 向单层WS 2注入自旋极化的空穴, 首次实现了对能谷自由度的电磁操控[10].利用p 型衬底的原因是单层TMDCs 价带的自旋劈裂要远大于其导带. 单层WS 2的价带自旋劈裂达到400 meV, 较大的劈裂抑制了空穴注入另一高能级的能谷, 更容易实现能谷极化. 通过测量圆偏振的电致发光, 在不同磁化方向时由于注入空穴自旋方向相反, 出射光的极化度也相反. 器件电致发光的极化率仅在15%左右, 这需要考虑谷间弛豫及(Ga, Mn)As 表面氧化层造成的影响. 与此方法210 Linear =21.69 pA195180165P h o t o c u r r e n t /p A1501354590135180Quarter wave plate angle/(O )635 nm excitation (with IL)635 nm excitation (without IL)225270315360Photocurrent Fit line(a)32 Linear =1.24 pACPGE =2.39 pA 30262824P h o t o c u r r e n t /p A222004590135180Quarter wave plate angle/(O )225270315360Photocurrent Fit line CPGE Linear图 7 635 nm 激发下多层MoS 2中光电流与1/4波片角的函数关系　(a)不加离子液体; (b)有离子液体[68]Fig. 7. Photocurrent as a function of the quarter-wave-plate angle in multilayer MoS 2 under 635 nm excitation: (a) With-out the application of ionic liquid; (b) with the application of ionic liquid [68].。

AlxGa1-xN-GaN异质结构中二维电子气的Rashba自旋轨道耦合和圆偏振自旋光电效应

AlxGa1-xN-GaN异质结构中二维电子气的Rashba自旋轨道耦合和圆偏振自旋光电效应近年来，研究人员对于AlxGa1-xN/GaN异质结构中的二维电子气的性质进行了广泛的研究。

其中，Rashba自旋轨道耦合和圆偏振自旋光电效应引起了科学家们的极大兴趣。

Rashba自旋轨道耦合是指在材料中存在的自旋和动量之间的相互作用。

在AlxGa1-xN/GaN异质结构中，由于晶格不匹配，形成了二维电子气。

而这种异质结构的特殊性质导致了Rashba自旋轨道耦合的出现。

该耦合可以通过外加电场或外界应力来调控，从而实现对自旋的控制。

这一性质在量子计算、自旋电子学和自旋逻辑等领域具有巨大的应用潜力。

另外，AlxGa1-xN/GaN异质结构中的二维电子气还表现出了圆偏振自旋光电效应。

这种效应是指当光照射到材料表面时，光子的圆偏振性质会影响到电子的自旋状态。

通过控制光的圆偏振方向和强度，可以实现对电子自旋的操控。

这一效应在自旋光电器件和信息存储等领域具有广泛的应用前景。

研究人员通过实验和理论模拟发现，AlxGa1-xN/GaN异质结构中的二维电子气的Rashba自旋轨道耦合和圆偏振自旋光电效应之间存在着密切的关联。

具体而言，Rashba自旋轨道耦合的强度会影响到圆偏振自旋光电效应的大小。

这一发现为进一步探索和应用AlxGa1-xN/GaN异质结构中二维电子气的自旋性质提供了理论依据和实验指导。

总之，AlxGa1-xN/GaN异质结构中二维电子气的Rashba自旋轨道耦合和圆偏振自旋光电效应是当今研究领域的热点之一。

通过深入研究这些性质，可以为新型自旋光电器件的设计和制备提供重要的理论基础和实验支持。

未来，我们可以期待这些研究成果在信息技术、量子计算和能源转换等领域的广泛应用。

二维过渡金属硫化物的制备、表征和饱和吸收特性研究

二维过渡金属硫化物的制备、表征和饱和吸收特性研究二维过渡金属硫化物(TMDs)作为一种新兴的二维材料,其不同寻常的结构特征和理想的光电性质取得了研究人员的广泛关注。

本论文用二硒化钼(MoSe2)、二硫化钼(MoS2)、二硫化铼(ReS2)三种过渡金属硫化物作为研究对象,首先就少层二硫化钼和二硒化钼两种二维材料的基本性质和制备方法进行讨论,并且利用超声辅助液相剥离方法(UALPE)成功剥离得到了纳米厚度的MoSe2和MoS2,进行了样品形貌和拉曼散射、吸收光谱的分析研究。

为了将二维材料应用到脉冲激光器中,本文将两种纳米片分散液通过旋涂转移到玻璃基板上,利用Z扫描研究了其可饱和吸收性能,最后将其作为可饱和吸收体插入到全固态1微米激光器中,实现了脉冲激光器的稳定运转。

此外,本论文还对二维材料/半导体异质结进行了讨论,以二硫化铼/砷化镓(ReS2/GaAs)为研究对象,系统研究了其可控制备和光学性能,然后将其作为可饱和吸收体应用于全固态1微米固体激光器中。

本论文具体工作内容如下:1.首先调研了国内外二维材料的研究现状和趋势,介绍了论文中出现的三种二维材料(MoSe2、MoS2和ReS2)的基本性质和应用价值,以及二维材料/半导体异质结的研究进展。

最后介绍了二维材料的常用制备方法和表征手段。

2.利用超声辅助液相剥离方法制备了少层二硒化钼和二硫化钼,并通过拉曼光谱、透射电子显微镜(TEM)、线性吸收光谱分析了两种二维材料的表面形貌和厚度信息,通过Z扫描方法探究了两种二维材料在1微米波段的可饱和吸收性质。

3.将制备得到的MoSe2和MoS2两种二维材料作为可饱和吸收体插入搭建的Nd:GdVO4全固态激光器中,获得了稳定的调Q激光脉冲序列。

当使用MoS2作为调制器时,增加泵浦功率可实现稳定的调Q运转,并且最短脉宽可达到261ns、最高脉冲重复频率可达到362kHz、最大峰值功率和单脉冲能量分别为1.27W和0.33μJ;当使用MoSe2作为可饱和吸收体时,可实现217.5ns 的最短脉冲宽度、487.5kHz的最高重复频率、1.65W的峰值功率以及0.36μJ 的脉冲能量的调Q运转。

二维过渡金属硫化物的耦合效应研究

05
耦合效应的实验研究
实验方案与技术路线
确定研究目标
明确研究二维过渡金属硫化物中不同元素间的耦合效应及其对材料性能的影响。
实验流程
按照预定的实验方案和技术路线，依次进行样品制备、表征分析、性能测试等步骤。
选择研究对象
根据研究目标，选择具有代表性的二维过渡金属硫化物材料，如MoS2、WS2等。
模型目标
研究不同二维过渡金属硫化物之间的耦合效应及其对物理性质的影响。
关键假设
假设不同层数的二维过渡金属硫化物之间存在耦合效应。
计算方法详述
密度泛函理论
使用密度泛函理论（DFT）对材料的电子结构和物理性质进
行计算。
交换关联泛函
选择合适的交换关联泛函描述电子间的相互作用。
计算参数
优化计算参数，确保计算结果的准确性和可靠性。
材料性能有显著影响。
对比实验结果表明，化学气相沉积方法制备的二维过渡金属硫化物具有更高的光电性能和
热稳定性。
04
耦合效应的理论分析
电子结构与性质
电子结构
研究不同二维过渡金属硫化物的电子结构，包括能带结构、态密度等。
电学性质
探讨不同二维过渡金属硫化物的电学性质，如电阻率、介电常数等。
力学性质与稳定性
应等。
提出新的理论模型
通过实验和模拟，可能会提出新的理论模型来描述二维过渡金属硫化物的物理性质和行为
。
开发新的应用技术
研究成果可以直接应用于开发新的材料、器件和工艺，如超导材料、光电转换器件、能源
存储器件等。
研究不足与展望
需要更深入的理论研究
目前对二维过渡金属硫化物的物理性质和行为的理解还不够深入，需要发展新的理论模型和计算方法。

二维过渡金属硫化物的电催化性能研究

二维过渡金属硫化物的电催化性能研究二维过渡金属硫化物是一类具有潜在电催化性能的材料，近年来受到了广泛的关注。

在电化学催化领域，这些材料在氢氧化物分解、氧化还原反应、电解水等方面显示出了极大的潜力。

首先，我们需要了解二维过渡金属硫化物的物理和化学性质。

二维过渡金属硫化物是一种由过渡金属元素（如Mo、W、Fe等）和硫化物离子组成的材料。

这些材料具有高度可调的晶格结构、大的比表面积和丰富的活性位点，这些特性使得它们具备了优异的电催化性能。

此外，二维过渡金属硫化物还具有优异的导电性和催化活性，能够实现高效的电子传输和催化反应。

接下来，我们可以探讨二维过渡金属硫化物在氢氧化物分解反应中的应用。

氢氧化物分解是一种重要的电催化反应，可以用于制备氢气。

研究表明，二维过渡金属硫化物具有较低的活化能和较高的催化活性，能够实现高效的氢氧化物分解反应。

例如，MoS2和WS2等二维过渡金属硫化物被广泛研究并展示了优异的电催化性能。

这些材料在氢氧化物分解反应中表现出了较低的过电位和较高的电流密度，具备了应用于氢能源转化领域的潜力。

此外，二维过渡金属硫化物还可以应用于氧化还原反应。

氧化还原反应是电催化领域的另一个重要研究方向，包括氧还原反应和氧气还原反应等。

二维过渡金属硫化物在氧化还原反应中也展现出了出色的性能。

研究人员发现，MoS2和FeS2等材料在氧还原反应中具有较低的过电位和较高的产氧效率，能够有效地催化氧还原反应。

这为燃料电池等能源转化领域的开发提供了新的可能性。

最后，我们还可以讨论二维过渡金属硫化物在电解水反应中的应用。

电解水反应是一种将水分解为氢气和氧气的重要反应，具有重要的能源存储和转换价值。

研究表明，二维过渡金属硫化物能够催化高效的电解水反应。

例如，MoS2和WS2在电解水反应中表现出了较高的产氢和产氧活性，具备了用于水分解制氢的潜力。

这对于可再生能源的存储和利用具有重要意义。

综上所述，二维过渡金属硫化物作为一类具有潜在电催化性能的材料，在氢氧化物分解、氧化还原反应和电解水等方面显示出了优异的性能。

rashba自旋轨道耦合求解

rashba自旋轨道耦合求解Rashba自旋轨道耦合是指在材料中存在的一种特殊的自旋-轨道相互作用。

在准二维材料中，由于晶格结构的对称性破裂，电子运动轨道的离心力和自旋轨道耦合引起自旋极化，导致电子自旋在动量空间中出现转向。

Rashba自旋轨道耦合在准二维材料中的研究，不仅使我们对自旋电子学有了更深入的理解，而且还为新型自旋器件的研发提供了新思路和可能性。

为了更好地理解Rashba自旋轨道耦合的物理机制，让我们从基本原理开始。

在准二维材料中，晶格结构的对称性破裂会引起电子的自旋和动量之间的转换。

具体来说，由于晶格的非中心对称性，导致电子在材料中存在离心力。

这种离心力会使电子的速度与其自旋方向产生关联，从而引起自旋极化。

而自旋极化又会导致电子在动量空间中转向，这种转向即为Rashba效应。

Rashba自旋轨道耦合的物理机制可以通过量子力学的观点进一步解释。

在Rashba自旋轨道耦合的体系中，自旋算符与轨道角动量算符之间存在耦合关系。

在这个耦合的作用下，自旋的方向会受到电子在轨道运动过程中的非均匀电场的影响而发生改变。

这种改变导致了电子自旋的转向，从而形成了自旋极化。

Rashba自旋轨道耦合的强度与材料的特性以及外部电场的强度有关。

具体来说，材料的晶格对称性破裂越强，Rashba自旋轨道耦合的强度就越大。

此外，外部电场的强度和方向也会影响Rashba自旋轨道耦合的效果。

通过合理调节外部电场的强度和方向，可以控制自旋极化的方向和强度，从而实现对自旋电子的有效控制。

在实际应用中，Rashba自旋轨道耦合可以被用于设计和制造新型自旋器件。

例如，通过合适的材料选择和调控，可以实现自旋输运、自旋过滤以及自旋控制等功能。

Rashba自旋轨道耦合还可以用于实现自旋谷极化效应，进一步拓展自旋电子学的应用领域。

总结一下，Rashba自旋轨道耦合是准二维材料中一种重要的自旋相互作用效应。

通过晶格结构的对称性破裂和外部电场的调控，可以实现对自旋极化的控制，从而开发出新型的自旋器件。

二维过渡金属二硫化物的电子器件应用研究

二维过渡金属二硫化物的电子器件应用研究近年来，二维材料作为一种新型材料在电子器件领域引起了广泛的关注与研究。

其中，二维过渡金属二硫化物（TMDCs）因其特殊的电子结构和优异的性能，在电子器件应用方面具有巨大的潜力。

本文将深入探讨二维过渡金属二硫化物的电子器件应用研究的最新进展。

一、TMDCs的特性及制备方法二维过渡金属二硫化物是一类由过渡金属与硫原子形成的二维材料，具有层状结构。

由于其独特的电子结构和高度可调控性，在电子器件应用方面呈现出许多独特的特性。

TMDCs材料的制备方法主要有机械剥离法、化学气相沉积法（CVD）和溶液剥离法等。

二、TMDCs的电子器件应用1. 逻辑门电子器件TMDCs材料具有优异的载流子运动性能和可调控的能带结构，使其成为逻辑门电子器件的理想候选材料。

通过利用TMDCs材料的双极性调控特性，可以实现高性能、低功耗的逻辑门电子器件的设计与制备。

2. 能谱传感器TMDCs材料的带隙能量高度可调控性，使其在能谱传感器领域具有广泛的应用前景。

通过对TMDCs材料进行掺杂或改变其形态，在能谱传感器中实现对特定气体或化学物质的高灵敏度检测。

3. 光电器件TMDCs材料在光电器件中的应用表现出了诸多优势，如高载流子迁移率、较高的量子效率和宽的光谱范围等。

通过将TMDCs材料与其他光电器件材料相结合，可以制备出高性能的太阳能电池、光电传感器等器件。

4. 功率电子器件由于TMDCs材料具有良好的电子传导性能和热导性能，因此在功率电子器件领域有广泛的应用前景。

利用TMDCs材料的优异电子性能和热传导性能，可以制备高效、高性能的功率放大器、开关和传输线等器件。

三、挑战与展望尽管TMDCs材料在电子器件应用方面显示出了巨大的潜力，但在实际应用中仍然面临一些挑战。

首先，材料的制备方法还需要进一步优化，以提高材料的质量和可扩展性。

其次，TMDCs材料的界面与电极之间的耦合效率仍然需要改进。

此外，TMDCs材料的长期稳定性和可靠性也需要进一步研究和解决。

二维过渡金属硫化物材料的可控合成及性能研究

二维过渡金属硫化物材料的可控合成及性能研究近年来，随着纳米材料领域的发展，二维过渡金属硫化物材料作为一种新型材料备受关注。

它具有独特的结构和性能，有着广泛的应用前景。

本文将就二维过渡金属硫化物材料的可控合成及性能研究展开探讨。

首先，我们需要了解什么是二维过渡金属硫化物材料。

二维过渡金属硫化物是由金属元素和硫元素形成的晶格结构，其层状结构使得其在多个方向上具有优异的电学和热学性能。

二维过渡金属硫化物材料的可控合成是实现其优良性能的关键。

目前，研究人员通过各种方法合成了不同种类的二维过渡金属硫化物材料，包括机械剥离法、化学气相沉积法等。

其次，对于二维过渡金属硫化物材料的性能研究也是至关重要的。

通过实验和理论模拟可以揭示其电学、光学、热学等特性。

研究表明，二维过渡金属硫化物材料具有优异的导电性和光学性能，具有广泛的应用前景。

例如，MoS2材料在光电器件中的应用已经引起了广泛的研究兴趣。

除此之外，对于二维过渡金属硫化物材料的性能调控也是当前研究的热点。

通过控制其合成条件和结构，可以实现对二维过渡金属硫化物材料性能的调控。

例如，调控MoS2材料的层数和缺陷可以实现对其光电性能的调控，为其在电子器件中的应用提供了新的思路。

最后，总结可得，二维过渡金属硫化物材料是一类具有潜力的新型材料，在光电器件、传感器、催化剂等领域具有广泛的应用前景。

研究人员对其可控合成及性能研究正在取得重要进展，但仍然面临许多挑战，如材料的稳定性、制备成本等。

未来，需要进一步深入研究二维过渡金属硫化物材料的性能和应用，以实现其在各个领域的广泛应用。

通过本文对二维过渡金属硫化物材料的可控合成及性能研究的探讨，我们可以看到这一类新型材料的潜力和重要性。

希望未来在这个领域的研究可以取得更大的突破，为人类社会的进步和发展做出更大的贡献。

rashba自旋轨道耦合求解

rashba自旋轨道耦合求解Rashba自旋轨道耦合是指自旋和轨道运动之间的相互作用效应。

它是一种在杂质作用下产生的自旋-轨道耦合，并且在固体物理学和自旋电子学领域中具有重要的应用价值。

Rashba自旋轨道耦合的重要性在于它对电子自旋动力学的调控，以及其在量子计算和自旋电子学器件中的潜在应用。

Rashba自旋轨道耦合的理论基础可以通过考虑电子在晶格中运动时的自旋-轨道相互作用来理解。

在固体中，电子的自旋是其本征属性，在运动过程中可以与轨道运动相互作用。

而Rashba自旋-轨道相互作用是由于晶格对称性破缺或者表面结构引起的。

通常情况下，Rashba自旋轨道耦合是在二维电子系统中产生的。

在Rashba自旋轨道耦合中，电子的自旋将与电子在晶格势场和电场梯度下的运动相互耦合。

Rashba自旋轨道耦合的哈密顿量可以用如下形式表示：H_rs = α · (σ_x p_y - σ_y p_x)其中，H_rs表示Rashba自旋轨道耦合的哈密顿量，α是描述自旋-轨道耦合的强度系数，σ_x和σ_y是泡利矩阵，p_x和p_y是电子的动量。

从上述哈密顿量可以看出，Rashba自旋轨道耦合是通过电子的动量和自旋之间的交叉项来描述的。

为了更好地理解Rashba自旋轨道耦合的效应，我们可以考虑一个简单的模型系统，如二维自由电子气体。

在二维自由电子气体中，电子的哈密顿量可以写为：H_0 = (p_x^2 + p_y^2)/(2m)其中，m是电子的质量。

当考虑Rashba自旋轨道耦合时，哈密顿量可以写为：H = H_0 + H_rs通过求解这个哈密顿量，我们可以得到Rashba自旋轨道耦合对体系的影响。

由于Rashba自旋轨道耦合是由表面结构引起的，因此对于二维电子气体，表面边界条件也需要被考虑进去。

在实际应用中，Rashba自旋轨道耦合可以通过调节外加电场、材料表面的晶格势场或者结构对称性来实现。

在一些材料中，例如二维电子气体和半导体异质结构中的量子阱，Rashba自旋轨道耦合的效应非常显著。

二维层状过渡金属硫族化合物

二维层状过渡金属硫族化合物二维层状过渡金属硫族化合物研究与应用1. 引言在当今材料科学领域，二维层状过渡金属硫族化合物作为一类具有重要应用潜力的新型材料备受关注。

它们具有独特的结构和性质，在光电、磁学、能源等领域具有重要的潜在应用价值。

本文旨在通过对二维层状过渡金属硫族化合物的深度评估，探讨其在材料科学领域的发展和应用前景。

2. 二维层状过渡金属硫族化合物的基本概念二维层状过渡金属硫族化合物是一类具有层状结构的材料，主要由过渡金属和硫族元素组成。

其独特的二维结构赋予其一系列特殊的光学、电学、磁学和力学性质，使其在诸多领域具有广泛的应用潜力。

二维过渡金属二硫化物具有优异的光伏特性和储能性能，二维过渡金属氧化物则在催化和传感领域表现出卓越性能。

3. 二维层状过渡金属硫族化合物的研究进展近年来，科研人员对二维层状过渡金属硫族化合物进行了大量的研究，不断发现其新的性质和潜在应用。

以钼二硫化物（MoS2）为例，它在光电器件、催化剂、电子器件等方面都展现出卓越的应用潜力，并已经取得了一系列的研究进展。

钨二硫化物（WS2）、硒化铜（CuSe）、硒化铟（InSe）等二维层状过渡金属硫族化合物也引起了广泛的关注。

4. 二维层状过渡金属硫族化合物的应用前景基于其独特的结构和性质，二维层状过渡金属硫族化合物在光伏、催化、传感、电子器件等领域都展现出巨大的应用前景。

在光电领域，二维过渡金属硫族化合物具有优异的光电性能，可以用于制备高性能的光电器件；在能源领域，它们可以作为储能材料和光催化剂，实现能源的高效转化和存储；在传感领域，二维硫族化合物可以制备高灵敏度的传感器，用于检测环境污染物和生物分子等。

5. 个人观点和总结通过本文对二维层状过渡金属硫族化合物的深度评估，我深刻认识到这一类新型材料的巨大潜力和重要意义。

在未来的研究和应用中，需要继续深入挖掘其独特的性质，并开发新的制备和表征方法，以实现其在各个领域的广泛应用。

光学rashba效应

光学rashba效应
光学Rashba效应是一种与材料中的Rashba自旋轨道耦合相联系的现象。

Rashba效应是由Rashba自旋轨道耦合引起的，这是一种在材料中存在的自旋-轨道耦合。

Rashba效应和自旋轨道耦合是固体物理学中的重要概念，它们涉及到电子的自旋和运动轨道之间的相互作用。

在晶体中，由于结构不对称性，电子在晶格中运动时会感受到自旋轨道耦合。

Rashba效应是一种与表面结构相关的自旋轨道耦合，它通常出现在表面二维电子气中。

当表面存在结构不对称性时，电子在这个不对称场中运动，产生Rashba效应。

光学Rashba效应是通过外加光照射来调控Rashba自旋轨道耦合的现象。

光场可以改变材料的电子结构，从而影响Rashba效应。

这种效应在某些材料和表面中被广泛研究，因为它对于实现新型自旋电子学器件和量子计算具有潜在的应用价值。

总体而言，光学Rashba效应涉及到光场和自旋轨道耦合的复杂物理过程，其研究有助于深化对材料中自旋轨道耦合机制的理解，为开发新型电子学器件和技术提供基础。

《Rashba自旋轨道耦合对声子辅助隧穿的影响》范文

《Rashba自旋轨道耦合对声子辅助隧穿的影响》篇一一、引言自旋电子学是近年来新兴的物理领域，其研究重点在于电子的自旋和轨道运动对材料电子学性质的影响。

在固体材料中，自旋轨道耦合是一种重要的物理机制，它影响着电子的能级结构、自旋极化以及电子的传输特性。

其中，Rashba自旋轨道耦合是众多自旋轨道耦合中最为常见的一种，其源于材料内部结构的不对称性以及电场效应。

此外，声子辅助隧穿现象也是近年来备受关注的物理过程，涉及到材料中的晶格振动对电子隧穿过程的影响。

本文将重点探讨Rashba自旋轨道耦合对声子辅助隧穿的影响，并从理论模型和实验结果两个方面进行深入分析。

二、理论模型在考虑Rashba自旋轨道耦合的系统中，电子的波函数将受到自旋和动量之间的耦合作用。

这种耦合作用将导致电子能级发生分裂，并产生自旋极化的电子态。

在声子辅助隧穿过程中，晶格振动将影响电子的传输过程。

因此，我们需要构建一个包含Rashba自旋轨道耦合和声子效应的理论模型。

首先，我们考虑一个二维电子气系统，其中电子受到Rashba 自旋轨道耦合的作用。

在该系统中，电子的哈密顿量可以表示为：H = H0 + HR其中，H0是电子在不考虑自旋轨道耦合时的哈密顿量，HR 则是Rashba自旋轨道耦合的哈密顿量。

HR可以表示为动量和自旋的函数，描述了自旋和动量之间的耦合关系。

接下来，我们考虑声子对电子隧穿过程的影响。

在声子辅助隧穿过程中，晶格振动将导致势垒的起伏和形变，从而影响电子的传输过程。

我们可以通过引入一个描述晶格振动的哈密顿量来考虑这一效应。

该哈密顿量可以表示为声子坐标和动量的函数。

在理论模型中，我们还需要考虑电子在传输过程中的散射和相干性等效应。

这些效应将影响电子的传输概率和自旋极化程度。

通过求解该理论模型，我们可以得到Rashba自旋轨道耦合对声子辅助隧穿的影响规律。

三、实验结果与分析为了验证理论模型的正确性，我们进行了一系列实验。

首先，我们制备了具有不同Rashba自旋轨道耦合强度的样品，并利用扫描隧道显微镜等手段测量了样品的电子传输特性。

《Rashba自旋轨道耦合对声子辅助隧穿的影响》范文

《Rashba自旋轨道耦合对声子辅助隧穿的影响》篇一摘要：本文着重研究了Rashba自旋轨道耦合对声子辅助隧穿的影响。

首先，我们介绍了Rashba自旋轨道耦合的基本概念和物理机制。

然后，我们详细探讨了声子辅助隧穿的基本原理和物理过程。

最后，我们通过理论计算和模拟分析，深入研究了Rashba自旋轨道耦合对声子辅助隧穿的影响，并得出了一些有意义的结论。

一、引言随着半导体技术的发展，自旋电子学逐渐成为了一个热门的研究领域。

其中，自旋轨道耦合是一个重要的物理机制，它对于半导体中的电子输运有着重要的影响。

Rashba自旋轨道耦合是一种重要的自旋轨道耦合形式，它在半导体表面和界面处起着重要的作用。

而声子辅助隧穿是电子在固体中传输的一种重要方式，因此研究Rashba自旋轨道耦合对声子辅助隧穿的影响具有十分重要的意义。

二、Rashba自旋轨道耦合概述Rashba自旋轨道耦合是指由自旋轨道相互作用引起的电子能级分裂的现象。

它主要由结构反演不对称性和自旋-轨道耦合相互作用共同引起。

在半导体中，Rashba自旋轨道耦合可以在表面或界面处形成特殊能级结构，对电子的输运和自旋极化产生重要影响。

三、声子辅助隧穿概述声子辅助隧穿是电子在固体中传输的一种重要方式。

它涉及到电子通过声子媒介的协助进行隧穿传输的过程。

在固体中，声子是一种振动模式，它可以通过与电子的相互作用来改变电子的传输过程。

因此，声子辅助隧穿对电子在固体中的传输起着重要的作用。

四、Rashba自旋轨道耦合对声子辅助隧穿的影响研究表明，Rashba自旋轨道耦合可以显著影响声子辅助隧穿的过程。

在具有Rashba自旋轨道耦合的系统中，电子的自旋方向和动量方向之间存在一个角度，这导致电子的传输过程变得更加复杂。

同时，声子的振动模式也会与电子的自旋状态相互作用，从而改变电子的传输过程。

因此，Rashba自旋轨道耦合的存在将导致声子辅助隧穿的效率发生变化。

为了更深入地研究这一问题，我们进行了理论计算和模拟分析。

二维半导体过渡金属硫化物的逻辑集成器件

二维半导体过渡金属硫化物的逻辑集成器件李卫胜;周健;王瀚宸;汪树贤;于志浩;黎松林;施毅;王欣然【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2017(066)021【摘要】微电子器件沿摩尔定律持续发展超过50年,正面临着高功耗等挑战.二维层状材料可以将载流子限制在界面1 nm的空间内,部分材料展现出高迁移率、能带可调、拓扑奇异性等特点,有望给“后摩尔时代”微电子器件带来新的技术变革.其中,以MoS2为代表的过渡金属硫化物具有1-2 eV的带隙、良好的空气稳定性和工艺兼容性,在逻辑集成方面有巨大潜力.本文综述了二维过渡金属硫化物在逻辑器件领域的研究进展,重点讨论电子输运机理、迁移率、接触电阻等关键问题及集成技术的现状,并为今后的发展指出了方向.%The semiconductor industry has experienced exponential growth for more than 50 years,following the Moore's Law.However,traditional microelectronic devices are currently facing challenges such as high energy consumption and the short-channel effect.As an alternative,two-dimensional layered materials show the ability to restrain the carriers in a 1 nm physical limit,and demonstrate high electron mobility,mutable bandgap,and topological singularity,which will hopefully give birth to revolutionary changes in electronics.The transition metal dichalcogenide (TMDC) is regarded as a prospective candidate,since it has a large bandgap (typically about 1-2 eV for a monolayer) and excellent manufacture compatibility.Here in this paper,we review the most recent progress of two-dimensional TMDC and achievements in logicintegration,especially focusing on the following key aspects:charge transport,carrier mobility,contact resistance and integration.We also point out the emerging directions for further research and development.【总页数】22页(P236-257)【作者】李卫胜;周健;王瀚宸;汪树贤;于志浩;黎松林;施毅;王欣然【作者单位】南京大学电子科学与工程学院,固体微结构国家重点实验室,人工微结构科学与技术协同创新中心,南京210093;南京大学电子科学与工程学院,固体微结构国家重点实验室,人工微结构科学与技术协同创新中心,南京210093;南京大学电子科学与工程学院,固体微结构国家重点实验室,人工微结构科学与技术协同创新中心,南京210093;南京大学电子科学与工程学院,固体微结构国家重点实验室,人工微结构科学与技术协同创新中心,南京210093;南京大学电子科学与工程学院,固体微结构国家重点实验室,人工微结构科学与技术协同创新中心,南京210093;南京大学电子科学与工程学院,固体微结构国家重点实验室,人工微结构科学与技术协同创新中心,南京210093;南京大学电子科学与工程学院,固体微结构国家重点实验室,人工微结构科学与技术协同创新中心,南京210093;南京大学电子科学与工程学院,固体微结构国家重点实验室,人工微结构科学与技术协同创新中心,南京210093【正文语种】中文【相关文献】1.二维过渡金属硫化物中Rashba自旋轨道耦合效应的电场调控研究 [J], 姚群芳;蔡佳;龚士静2.氢化二维过渡金属硫化物的稳定性和电子特性:第一性原理研究 [J], 王丹;邹娟;唐黎明3.二维过渡金属硫化物二次谐波:材料表征、信号调控及增强 [J], 曾周晓松;王笑;潘安练4.金属性二维过渡金属硫化物的溶剂热合成及电催化析氢性能 [J], 余强敏;张致远;罗雨婷;李洋;成会明;刘碧录5.二维过渡金属硫化物热电材料的研究进展 [J], 柏祖志;郭勇;刘聪聪因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

二维过渡金属硫族化合物中的缺陷和相关载流子动力学的研究进展

二维过渡金属硫族化合物中的缺陷和相关载流子动力学的研究进展二维过渡金属硫族化合物（TMDs）由过渡金属与硫族元素组成的层状结构材料，具有许多独特的电学、光学和催化性能。

在TMDs中，缺陷是不可避免的，并且对它们的载流子动力学有着重要的影响。

近年来，对TMDs中缺陷的研究逐渐增多，并取得了一些重要进展。

首先，研究人员对TMDs中常见的缺陷进行了系统的分类和研究。

根据形成机制和性质，TMDs的缺陷可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。

点缺陷包括硫空位、过渡金属空位、杂质原子等，这些缺陷会导致能带结构的改变和局域态的形成。

线缺陷包括范德华断裂和排列缺陷等，研究发现这些缺陷可以显著影响电子传输。

面缺陷主要包括晶格缺陷和边缘缺陷，这些缺陷对催化性能和电子传导性能有重要影响。

其次，研究人员发现TMDs中的缺陷可以显著改变其载流子动力学。

在TMDs中，点缺陷可以作为电子或空穴的捕获和散射中心，影响载流子的迁移率和寿命。

一些研究表明，在TMDs中引入硫空位和过渡金属空位可以显著增强材料的电导率。

线缺陷可以形成局域态，使得TMDs具有局域载流子态和增强的电子-声子耦合。

面缺陷可以显著改变TMDs的催化性能，对催化反应的动力学过程产生影响。

最近还发展了一些新的技术来研究TMDs中缺陷的影响。

例如，通过电子自旋共振技术可以直接观察到TMDs中的单个缺陷，并研究其对载流子动力学的影响。

通过将TMDs与其他材料（例如有机分子和金属纳米颗粒）复合，可以调控TMDs中缺陷的类型和浓度，并进一步研究缺陷对材料性能的影响。

综上所述，二维过渡金属硫族化合物中缺陷的研究已经取得了一些重要进展。

研究人员对TMDs中常见缺陷的分类和特性进行了深入研究，发现缺陷可以显著改变TMDs的载流子动力学。

新的技术也为研究TMDs中缺陷的影响提供了新的手段。

未来，我们有望通过进一步的研究，深入理解TMDs中缺陷对其性能的影响，并为二维材料的应用提供新的思路和方法。

Rashba自旋-轨道耦合调制的单层半导体纳米结构中电子的自旋极化效应

Rashba自旋-轨道耦合调制的单层半导体纳米结构中电子的
自旋极化效应
贺亚萍;陈明霞;潘杰锋;李冬;林港钧;黄新红
【期刊名称】《物理学报》
【年(卷),期】2023(72)2
【摘要】利用现代材料生长技术纳米厚的半导体可以沿着良好的方向有序生长,形成层状半导体纳米结构.在这种半导体纳米结构中由于结构反演对称性破缺出现较强的自旋-轨道耦合,能有效消除半导体中电子的自旋简并,导致电子自旋极化效应,在自旋电子学领域中具有重要的应用.本文从理论上研究了单层半导体纳米结构中由Rashba型自旋-轨道耦合引起的电子自旋极化效应.由于Rashba型自旋-轨道耦合,相当强的电子自旋极化效应出现在该单层半导体纳米结构中.自旋极化率与电子的能量和平面内波矢有关,尤其是其可通过外加电场或半导体层厚度进行调控.因此,该单层半导体纳米结构可作为半导体自旋电子器件应用中的可控电子自旋过滤器.
【总页数】6页(P357-362)
【作者】贺亚萍;陈明霞;潘杰锋;李冬;林港钧;黄新红
【作者单位】桂林理工大学
【正文语种】中文
【中图分类】O41
【相关文献】
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NM/FS/I/FS/NM双自旋过滤隧道结中自旋相关输运的影响4.Rashba自旋轨道耦合对电子自旋磁化率的影响5.含Rashba自旋轨道耦合二维电子气结构中电子反常位移及自旋分离
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