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美国加州大学伯克利分校与中科院半导体所等首次实现电子谷自由度的电学调控

2016-04-06

  最近,美国加州大学伯克利分校教授张翔研究组与中科院半导体所半导体超晶格国家重点实验室研究员赵建华研究组等合作,首次在单层过渡族金属二硫化物(TMDC)材料中实现电子谷自由度的电学调控。研究成果44日在线发表于《自然纳米技术》Nature NanotechnologyDOI: 10.1038/NNANO.2016.49http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2016.49.html)。

  固体材料中的电子具有谷自由度,以谷自由度作为信息载体的器件具有集成度高、运行速度快、能耗低及信息非易失性等特点。近年来,调控TMDC单层材料中电子谷自由度已成为凝聚态物理领域的研究热点。 

  目前主要采用光学手段调控TMDC二维材料中电子谷自由度,而利用电学手段调控电子谷自由度是实现谷电子器件的必要条件。在单层TMDC材料中,由于空间反演对称性破缺和强自旋轨道耦合效应,电子的谷自由度和自旋自由度是相互锁定的,因此有望在TMDC/铁磁材料异质结构中,通过电学自旋注入方法实现对TMDC材料电子谷自由度的电学调控。 

  他们利用磁性半导体(Ga,Mn)As作为铁磁电极实现了对单层TMDC的高效自旋注入,其工作原理如图1所示。为了获得较高的自旋注入效率,张翔研究组叶堉博士等发展了一种可精确定位干法转移单层TMDC的技术,在赵建华研究组王海龙博士制备的垂直易磁化(Ga,Mn)As薄膜上,获得了高质量的TMDC/(Ga,Mn)As异质结。在该异质结构中,控制(Ga,Mn)As薄膜的磁化方向,便可以调节注入自旋的极化方向,从而在不同的能谷中产生极化的载流子。谷极化度可以通过电致发光的自旋极化度进行检测,如图2所示。这项工作不仅首次利用电学方法产生和调控了谷载流子,还为谷电子学和自旋电子学的研究搭建了一座桥梁。 

  该项工作得到了美国自然科学基金会、中国科技部和国家自然科学基金委等经费支持。 

1 TMDC/(Ga,Mn)As异质结构中实现对谷自由度的电学调控 

 

      2 (a) 单层WS2/(Ga,Mn)As异质结构的I-V特性曲线和发光图像;(b)自旋极化的电致发光强度与注入电流和发光波长的关系图。 

 



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