单层二硫化钼纳米电子器件中的磁光调控输运性质研究

Layered molybdenum disulfide is one of the semi-conductor materials with the honeycomb structure akin to graphene. Besides the thin, steady structure and high mobility of electrons, the spin and valley polarizations as well as optical interband transitions can be driven due to the inversion symmetry breaking and a strong spin-orbit coupling in molybdenum disulfide system. Since the exotic magnetoelectronic and optical properties, molybdenum disulfide may have certain practical significance in applications of magnetoelectronic and optoelectronic nano-devices. During the process of applications, it is very important to understand and manipulate the electronic transport in molybdenum disulfide nano-device effectively. This project studies the electronic transport in molybdenum disulfide nano-devices with considering the effect of magnetic field, optical interband transitions and magneto-optical absorption, by using the tight-binding approximation and nonequilibrium Green’s function method. Firstly, the Landau level and electronic transport of the molybdenum disulfide nano-devices with zigzag and armchair edges are studied in the magnetic field. Secondly, we explore the optical interband transitions to display the optical-controlled electronic transport. Furthermore, we will investigate the properties of electronic transport and rectification effect in molybdenum disulfide nano-devices by considering the magneto-optical effect. The project aims to reveal the features of the magnetoelectronic and optoelectronic transports in molybdenum disulfide nano-devices, and provide a theoretical basis for its applications of the circuit designing and quantum manipulating.

二硫化钼是一种类石墨烯蜂窝状的层状半导体材料。除了具有轻薄、稳定和电子高迁移率等性质外，体系中的对称反演破缺性质和强自旋轨道耦合作用能实现自旋极化、谷电子极化和光跃迁等物理现象。特殊的磁学和光学性质，使二硫化钼在磁电、光电纳米器件研究领域有着广阔的应用前景。而从理论上准确地理解和调控二硫化钼纳米器件中的电子输运行为是推进其研究和应用的关键步骤。本项目采用紧束缚近似理论和非平衡格林函数方法，研究单层二硫化钼纳米器件中的电子输运问题，重点考虑磁场、光跃迁和磁光效应的作用。我们首先考虑在磁场作用下，锯齿型和扶手椅型二硫化钼器件中的朗道能级和输运性质；其次，研究二硫化钼器件中的光跃迁性质及其对电子输运的影响。最后，我们还将进一步探究磁光效应对二硫化钼器件中电子输运的调控和整流效应。本项目旨在揭示二硫化钼纳米器件中磁电、光电输运的物理机制和规律，为二硫化钼纳米电路设计和调控提供理论参考和依据。

二硫化钼是一种蜂窝状的类石墨烯过渡金属硫化物，是低维纳米体系中重要的半导体材料。本报告以过渡金属硫化物体系为切入点，采用紧束缚近似、格林函数方法和交流输运理论，研究不同的纳米结构构型、自旋轨道耦合相互作用和外电场效应等因素，对层状类石墨烯纳米系统中的电子能带结构、局域态密度和电导性质的影响以及相关的量子相变问题。具体的研究结果有：一、不同几何边缘结构类石墨烯过渡金属硫化物纳米条带的电子能带结构和交流输运性质，阐明自旋轨道耦合相互作用和尺寸变化对于电子能带结构和输运性质的影响。二、类石墨烯纳米系统中的量子相变问题和电子输运拓扑保护性质。考虑外电场和自旋轨道耦合相互作用，在不同结构构型的类石墨烯纳米系统，如T型、交叉型、H型、双弯曲结构以及金属电极异质结中，强自旋轨道耦合相互作用引发体系量子相变，在狄拉克点附近形成拓扑量子边缘态，具有拓扑保护性质。相应的实空间局域电子态密度集中分布在纳米结构的边缘，建立电子密度流输运路径。尽管体系存在界面散射，动态电导对于体系结构构型的变化具有拓扑保护不变性。当外加电场增大超过零界点，纳米结构系统发生量子相变成为绝缘体。三、自旋极化输运性质研究。外加一个较强的圆偏振光，类石墨烯纳米条带系统转变成为一个量子霍尔绝缘体，自旋朝下的子能带具有能隙，自旋朝上的子能带为无能隙边缘态，其控制直流电导，从而形成自旋极化输运。局域电子态密度分布中，自旋朝上的电子在纳米系统的两个边缘朝相反方向传输。由于边缘态的拓扑性质，自旋极化输运对于纳米系统的尺寸变化具有鲁棒性。四、在上述研究之外，我们还利用基态中的量子费舍信息编码，探究了XY自旋链的量子相变和标度问题等。课题组得到了一系列重要的研究成果，发表SCI学术论文8篇，完成了原定的科研计划，并做了一定的扩展工作。我们期望这些研究成果对今后低能耗纳米电路的设计和研究起到一定的推动作用。