Nature Nanotech：TMDC走向应用的新途径——磁交换场增强能谷劈裂

电荷与自旋是电子的两个属性。传统的半导体器件，如二极管、晶体管，主要是利用了电子的电荷属性，机械硬盘主要是利用了电子的自旋属性。随着器件的集成度越来越高，单个元件的尺寸逐渐接近物理极限，摩尔定律将失效。因此，设计出新型半导体器件已成为半导体领域的重要方向。在半导体材料的能带结构中存在带边的极值点，通常称为“能谷”。利用电子的能谷属性可以设计出具有集成度高和处理速度快等优点的器件。因此，对电子能谷的研究与调控，是凝聚态物理、材料物理和半导体物理领域的热点之一。

2010年，单层过渡金属硫族化合物（TMDC）被制备出来。 TMDC是直接带隙半导体，而且发光在可见光范围，因此引起广泛关注。单层TMDC能带中价带顶和导带底都在布里渊区的K谷或K’谷。由于强的自旋轨道耦合效应和空间反演对称性破缺，价带顶和导带底都会发生自旋劈裂；更重要的是，在K和K’谷的自旋劈裂方向是相反的。因此，单层的TMDC具有耦合的自旋和能谷特性，加上其直接带隙的特点，在半导体光电子学、自旋电子学和能谷电子学都有应用的潜力。

目前已有的工作通常通过圆偏振光选择性的激发某一个能谷的电子。然而，从器件设计的角度，通过光学方法来控制能谷并不利于器件集成。如果能够通过电场来调控电子在不同能谷之间的占据，则能为能谷电子学走向器件集成与应用提供可能性。由于单层的TMDC具有耦合的自旋能谷特性，能谷的调控亦等同于自旋的调控。而实现这一调控的关键是打破能谷的简并。由于能谷的简并为时间反演对称性所保护， 打破能谷的简并就必须打破这一反演对称性。实验证明在外加磁场下能谷会发生劈裂；然而劈裂系数仅为0.2 meV/T，导致在高磁场下才能观察到可观的劈裂。为了解决这个问题，美国纽约州立大学布法罗分校物理系曾浩（Hao Zeng）教授及其合作者们巧妙的设计了二维材料与铁磁材料的异质结构，通过改变外磁场方向来控制磁性衬底的磁化方向从而诱导能谷劈裂，并能够改变能谷劈裂的方向，如图一所示。实验发现硫化铕（EuS）衬底的磁交换场（Magnetic Exchange Field）非常显著的增强了二硒化钨（WSe₂）能谷劈裂的系数，为2.5 meV/T。由于在小场下就可以得到很大的能谷劈裂，因此，可以将EuS看作一个 “磁场放大器”。

图一 （左）单层过渡金属二硫化物的能谷在磁性衬底的影响下发生劈裂的示意图；（右）能谷劈裂随磁场的变化和EuS磁滞洄线相吻合。

该工作提供了一种在二维半导体材料中非常有效的调控能谷和自旋极化的手段。例如，在WSe₂/EuS系统中，还可以引入电场调控费米能级，选择某个特定的能谷上的载流子。因此，反常的电荷、自旋或能谷霍尔效应都是可以预期的。由于二维材料/铁磁材料异质结构在实验上较容易制备，而且具有增强的能谷劈裂效应，在信息存储与处理器件的应用中具有非常大的潜力。该工作为将TMDC应用于经典与量子信息处理器件奠定了理论与实验基础。本工作由布法罗大学，南京工业大学，西安交通大学，内布拉斯加州立大学，滑铁卢大学等单位的研究组合作完成，近期发表于自然纳米杂志。

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

本文由南京工业大学先进材料研究院程迎春教授投稿，欧洲足球赛事 编辑晓fire编辑整理。

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