首页 > 行业资讯 > 东南大学崔一平教授、胡国华教授课题组《ACS AMI》：电学操控二硫化钼在非共振波长处的谷极化开关研究

东南大学崔一平教授、胡国华教授课题组《ACS AMI》：电学操控二硫化钼在非共振波长处的谷极化开关研究

时间：2022-05-09 来源： 浏览：

东南大学崔一平教授、胡国华教授课题组《ACS AMI》：电学操控二硫化钼在非共振波长处的谷极化开关研究

原创 化学与材料科学 化学与材料科学
化学与材料科学

Chem-MSE

聚集海内外化学化工、材料科学与工程、生物医学工程领域最新科学前沿动态，与相关机构共同合作，发布实用科研成果，结合政策、资本、商业模式、市场和需求、价值评估等诸要素，构建其科技产业化协同创新平台，服务国家管理机构、科研工作者、企业决策层。

收录于合集
#谷极化 2 个
#手性 6 个
#非共振波长 1 个

点击蓝字关注我们

传统的集成电路器件主要是依赖电荷来实现对信息的表达、存储、传输和处理。如何降低集成电路功耗，实现更高性能的下一代信息器件？一条理想的解决途径是利用新的量子自由度来替代传统的电荷自由度来表达信息。最近，低维量子材料中的能谷自由度为实现以上思路提供了一条可行途径。利用过渡金属硫化物中的谷自旋特性，可有效地降低器件的运行损耗， 为新一代信息材料器件的实现提供可能 。如何实现低维量子材料的谷电子自旋极化调控是推动该材料实际应用面临的重大研究挑战之一。
近日，东南大学电子科学与工程学院的崔一平教授、胡国华教授团队，在二硫化钼谷极化特性研究方面取得了新进展。相关成果以 “ Electrical Switching of the Off-Resonance Room-Temperature Valley Polarization in Monolayer MoS 2  by a Double-Resonance Chiral Microstructure ” 为题，发表在美国化学学会旗下的 ACS Applied Materials & Interfaces 杂志上。东南大学电子科学与工程学院的博士生黄磊为论文的第一作者，机械学院的博士生朱笑凡为共同一作。此研究得到了国家重点研发计划以及国家自然科学基金等项目资助。
电子除了具有电荷 (charge) 与自旋 (spin) 自由度以外，还具有“谷” (valley) 自由度。利用谷自由度作为信息载体的谷电子学，近年来已吸引了科研人员的广泛关注。虽然，通过单层过渡金属硫化物中的谷霍尔效应与谷依赖的光学选择性定则，人们已经实现了对谷自由度的操控。但是，较窄的带边操作范围以及室温下的退极化现象十分不利于实际的谷电子器件开发。同时，实现在室温以及非共振波长处的谷极化的动态开关操控，对于未来的谷极化存储器与谷极化编码器的开发也具有十分重要的意义。
鉴于此，研究团队提出了一种新的设计思路，他们通过构建一种栅极可调的双共振等离激元手性微结构。利用氮化硅与二硫化钼界面处动态可调的电荷密度，实现了对硫化钼荧光强度的连续调控。进一步的，利用电子在掺杂过程中所引起的屏蔽长程电子-空穴库仑相互作用以及手性珀塞尔效应（ Purcell effect ），研究团队同时在非共振波长以及室温条件下实现了对二硫化钼谷极化现象的电学开关操控。这种连续可调的金属微结构，将极大地丰富过渡金属硫化物器件的应用功能，也为未来的谷霍尔器件、谷极化存储器、编码器件的发展提供一条新的设计途径。
图 1 为设计的二硫化钼加载的等离激元双共振手性微结构的结构原理图以及样品的 形貌 表征结果。转移前后 的 拉曼光谱 证明了转移前后 样品 的 良好质量 。 AFM 的测试结果证明二硫化钼的单层性质。
 

图 1 （ a ）设计的门可调的手性微结构的结构原理图；（ b ）和（ c ）为周期 P 为 500 nm 情况下的有和无 MoS 2 的样品的扫描电子显微镜（ SEM ）图；（ d ）实验测量的分别在 SiO 2 /Si 衬底和结构表面上的 MoS 2 的拉曼光谱。其中， E 2g 峰位于 384 cm -1 ， A 1g 位于 404 cm -1 ；（ e ）在 SiO 2 /Si （ 285 nm ）衬底上生长的单层 MoS 2 的 AFM 图；（ f ）为图（ e ）中沿黄线的高度曲线图。
 
图 2 为实验 测量不同周期结构的二硫化钼荧光光谱以及 500   nm 周期结构下的 电控 PL 结果 。 相应的能带结果图表明：在施加正电压调制过程中，过 量 的电子会阻止 MoS 2 中光激发的电子 - 空穴对的形成，从而导致 PL 强度的降低。而在施加负压过程中， MoS 2 中注入 的过量 空穴 会分解其 中 带电激子（ trions ），结果， PL 强度将会得到显著的增加。
 

图 2 （ a ）为实验测量 的 532 nm 激光激发 下的不同周期的双共振结构上的 单层 MoS 2 的 PL 光谱 ，插图显示了计算的 500 nm 周期 结构上的 P L 增强因子 ；（ b ）实验测量的电学调控的 500 nm 周期 的双共振结构上的 单层 MoS 2 的 PL 光谱 ； （ c ）和（ d ）显示了 MoS 2 /SiN 界面的能带 结构图，利用它们可以很好地解释正负栅极偏压的 P L 调制机 理。
 
图 3 为实验测量的非共振波长下的电控谷极化开关结果。从图中可以看出，随着背栅电压从 0 到 10 V 变化，谷极化荧光逐渐开始出现。对于 0 V 激发的情况，激发的 LCP （ σ- ）和 RCP （ σ+ ） PL 强度差异几乎相同。 而 随着栅极电压的增加，可以发现 σ- 和 σ+ 荧光差异显着增强。在 10 V 的栅极电压下，谷极化度可以达到 0.17 ，这表明了该结构 在非共振波长处 具有出色的谷极化荧光开关能力。 相应的理论分析表明静电掺杂过程中所引起的屏蔽长程电子-空穴库伦交换相互作用会抑制二硫化钼中激子的谷间散射，结合相应的手性 Purcell effect 进而导致了这种电控室温谷极化荧光的出现。
 

图 3 （ a ） 绑线电极之后样品的电学测试照片； （ b ）和（ c ） 为计算的在 685 nm 处 LCP和RCP激发的光学手性分布 图； （ d ）为获得偏振分辨的 PL 光谱的光学系统原理图；（ e ） - （ g ）在不同偏置电压下，在 532 nm 非共振波长处 LCP （ σ- ）激发下测量的偏振分辨 PL 光谱 。
 
该项工作是在该团队前期工作基础上的进一步改进与提升（ Appl. Phys. Lett 119, 031106 (2021) ）。其意义在于，通过构建双共振微结构的设计思想，能有效地改善了二硫化钼的激子与谷激子的操控范围。并且这种动态的谷极化开关能力，将为未来室温条件下的谷霍尔器件、谷极化存储器、编码器件的设计奠定实验与理论基础。
相关链接
https://doi.org/10.1021/acsami.2c03688

作者简介

向上滑动阅览

黄磊 ，东南大学电子科学与工程学院在读博士。目前主要从事表面等离激元光学以及低维材料中谷电子学研究，在 Advanced Optical Materials 、 ACS Applied Materials & Interfaces 、 Optics Express 、 Applied Physics Letters 等光学领域著名国际期刊发表 SCI 论文 10 余篇，申请发明专利多项。
 
崔一平 ，博士、教授，博士生导师，长江学者，国家杰出青年科学基金获得者，美国光学学会会士（ OSA Fellow ）。他长期从事光电子学方面的研究工作，在有机聚合物和纳米光子材料的光学非线性与发光特性研究、尤其是在光折变和多光子吸收机制研究方面作出了开拓性贡献，近几年又在生物光子技术、集成光子技术以及低维材料领域取得了一系列重要成果。
 
胡国华 ，博士、教授，博士生导师。目前主要从事高性能集成光子器件及其在光通信 / 光互连、光传感等方面的应用研究，近几年又在表面等离激元光学以及低维材料领域取得了一系列重要成果。主持国家重点专项课题国家级重点项目十余项，在 Advanced Optical Materials 、 ACS Applied Materials & Interfaces 、 IEEE JLT 、  Optics Letters 、 Optics Express  、 Applied Physics Letters 等光学领域著名国际期刊发表 SCI 论文 90 余篇，申请发明专利 40 余项，以第一发明人获得授权专利 13 项。

相关进展

武汉大学钱江锋课题组《Nano Letters》：化学锂化插层法高效制备单层二硫化钼纳米片

江苏大学刘磊教授团队《ChemBioChem》：二硫化钼纳米片和人胰岛淀粉样肽的特异性纳米生物界面相互作用

西安建大赵小军副教授课题组《ACS AMI 》:共价组装二硫化钼-硫化亚锡@g-C3N4/G负极用于高性能钠离子混合电容器

化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：chen@chemshow.cn

扫二维码｜关注我们

微信号 : Chem-MSE

诚邀投稿

欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程产学研方面的稿件至chen@chemshow.cn，并请注明详细联系信息。化学与材料科学®会及时选用推送。

版权：如无特殊注明，文章转载自网络，侵权请联系cnmhg168#163.com删除！文件均为网友上传，仅供研究和学习使用，务必24小时内删除。
相关推荐
热门信息