近日，北京大学物理学院、人工微结构和介观物理国家重点实验室宽禁带半导体研究中心唐宁、沈波课题组与戴伦课题组合作开展了单层MoS₂材料在流体静压力作用下的光谱性质研究，发现其能谷直接-间接带隙的转变。相关工作于2017年11月3日在Science Advances上在线刊登【Science Advances，3，e1700162（2017）】。
近年来，过渡金属硫属化合物因其独特的物理性质，以及在光电子和微电子器件方面潜在的应用前景，已成为国际研究的热点。其中单层MoS₂因其具有较宽的直接带隙、较强的库伦相互作用和较大的激子束缚能，在光电子领域有很好的应用潜力。同时，由于其具有较强的自旋轨道耦合以及独特的能谷性质，适合用来发展和制造原子级厚度的自旋电子学器件以及谷电子学器件。
单层MoS₂的直接带隙处于布里渊区边界的能谷K（K’），能谷K（K’）同时具有特殊的圆偏振光的选择性以及谷霍尔效应。然而，半导体的能带结构在应力作用下往往会发生变化，有可能会发生直接-间接的转变，这对于该类材料的器件应用特别是在柔性器件方面的应用十分不利。流体静压力方法是研究此类问题的一个重要手段。通过对材料施加各向同性的压力，材料的晶格常数、键长和键角随之发生改变，导致能带结构的变化。这种变化可以通过光致发光谱来探测。
唐宁、沈波课题组与戴伦课题组合作利用大面积高质量的单层MoS₂薄膜，对其施加了流体静压力并进行光谱测量。结果表明单层MoS₂在压应力的作用下，其荧光峰先以49.4 meV/GPa的压力蓝移，后以15.3 meV/GPa的压力红移，这对应着直接-间接能带结构的转变，转变点压力为1.9 GPa。结合第一性原理计算，证实了该直接-间接能带结构的转变是由导带底能谷从K谷转变为Λ谷所导致。









流体静压力下单层MoS₂的光致发光谱


北京大学物理学院博士生付雷为第一作者，唐宁副教授、戴伦教授、沈波教授为共同通讯作者。北京大学巫翔课题组和史俊杰课题组参与了此项研究。该工作得到了国家自然科学基金委优秀青年科学基金、科技部“973计划”、量子物质科学2011协同创新中心、人工微结构和介观物理国家重点实验室等项目的资助。


编辑：安宁