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栅压调控的二维半导体器件结构(左);激子与三子不同的谷内(intravalley)和谷间(intervalley)衰减通道
能谷是固体中电子能带的极小点,通过控制电子在不同能谷中的分布,即谷自由度,可以对信息进行编码和处理。谷自由度是对电子的电荷和自旋两个内禀自由度的扩展,由于能谷电子不产生电荷流,因此可以用于实现小尺寸、低功耗、非易失的电子器件,并衍生出“能谷电子学”。此外,由于能谷在动量空间分离,能谷电子的信息受到保护,有望应用于量子存储、量子计算等新兴领域。
在二维过渡金属硫族化合物(2D-TMDCs)的六方晶格中,由于特殊的对称性及自旋轨道耦合,能谷与电子自旋的关系永远锁定,因而可以通过光学手段选择性对能谷信息进行操控,为能谷电子学的发展注入了新的活力。能谷极化寿命作为能谷器件的重要指标,是保持粒子在不同能谷中非平衡分布的时间。由于2D-TMDC中激子间的交换作用,其能谷寿命通常只有几个皮秒,这极大地限制了能谷自由度的应用,而激子在结合另外一个电荷形成三子后,其谷寿命显著增加。团队创新提出利用栅压调控将激子转化为三子,首次将单层MoTe2中的谷极化寿命从皮秒量级提升至纳秒量级,为谷极化信息的操控和存储奠定了重要的物理基础。
7月14日,清华大学电子工程系宁存政教授和孙皓副研究员团队在《自然·通讯》(Nature Communications)发表了题为“利用栅压调控激子向三子的转化延长单层碲化钼的能谷极化寿命”(Prolonging valley polarization lifetime through gate-controlled exciton-to-trion conversion in monolayer molybdenum ditelluride)的研究论文。
单层MoTe2的发光位于硅吸收透明的近红外波段。因此相比于其他位于可见光波段的TMDC,单层MoTe2材料在片上集成的能谷应用方面更具有研究价值。然而,现有实验报道实现单层MoTe2的能谷荧光极化一般需要强磁场条件,不利于集成谷电子器件的实用化发展。本文提出在近共振光学激发条件下,采用成熟的栅压调控器件结构,将单层MoTe2中激子和三子的能谷极化分别提升到38%和33%,达到了此前其他文章在超强磁场下极化水平的报道结果,从而证明了MoTe2材料在片上谷电子器件领域的应用潜力。此外,本文还为单层TMDC中的能谷相关的多体相互作用提供了丰富的理解,为推进硅基集成的能谷应用奠定了物理基础。
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本文结果与报道的其他单层TMDC结果进行对比:(a)能谷极化率随近共振失谐能量变化的结果;(b)能谷极化寿命的结果。
论文的理论和实验工作均在清华大学完成,清华大学电子工程系为论文第一单位。宁存政教授为本文通讯作者,电子工程系2017级博士生张琪瑶与孙皓副研究员为文章共同第一作者。其他作者包括电子工程系2018级博士生唐嘉铖、戴星灿老师及2016级校友王震博士。本研究得到了国家重点研发项目、北京自然科学基金、国家自然科学基金,北京市未来芯片技术高精尖创新中心、北京市信息科技国家中心和清华大学自主科研经费的支持。
论文链接:
https://www.nature.com/articles/s41467-022-31672-y
供稿:电子系
题图设计:赵存存
编辑:陈晓艳
审核:吕婷
2022年07月25日 10:12:17