单层二硫化钼半导体材料中电子自旋性质的研究

A trend for future electronics is to utilize the internal degrees of freedom of electron for information storage and processing. The independent and degenerate valleys of energy bands constitute another discrete degree of freedom for low-energy electrons. This has led to the emergence of valleytronics, which uses the valley index to control an electronic device in addition to charge and spin. Recently, lots of theorical and experimental works on the valley properties of MoS2 monolayer have been reported. In MoS2 monolayer, the inversion symmetry breaking together with spin-orbit coupling leads to coupled spin and valley physics, making possible manipulation of spin and valley in these materials. So the MoS2 monolayer semiconductor is a potential candidate in the valley and spin electronic devices. However, there are no relevant experimental reports on spintronics research on MoS2 monolayers. In this proposal, we plan to untilize optical method to generate spin-polarized electrons and holes, while use ferromagnetic spin detector to measure the intensity of spin-polarization and the spin Hall effect. Our goal is to understand the basic physics of optical spin injection and factors influencing the spin polarization, and explore its application in nano-electronic devices. This project will be of great value to the development of the MoS2 monolayer materials and its application on spin and valley electronic devices.

谷电子学是通过除了电荷和自旋以外，不等价的能谷自由度来操控电子设备的一门学科。近年来国际上开展了对单层二硫化钼半导体能谷性质的研究，由于此材料中存在着很强的自旋轨道耦合效应和空间结构反演不对称性，理论表明在这种二维多能谷体系中可以同时操控电子自旋和能谷，认为它是很好的谷电子和自旋电子器件材料。然而，目前未有单层二硫化钼材料中关于电子或空穴自旋性质实验方面的报道。本项目利用光自旋注入和铁磁自旋探测器技术开展低温下单层二硫化钼半导体中电子或空穴的自旋极化强度以及自旋霍尔效应方面的研究。弄清单层二硫化钼材料中自旋极化方向与光偏振性的关系，影响自旋极化强度的因素以及铁磁自旋探测器的探测效率的问题，对此材料在纳米电子器件的应用前景作出评估。本课题对单层二硫化钼材料在半导体自旋电子器件和谷电子器件的发展具有重要的科学意义和实际价值。

二维过渡金属硫化物半导体材料由于其独特的自旋和能谷特性，近年来成为国际上广泛研究的对象。本项目的开展在于研究体系中自旋的性质，自旋－能谷之间的耦合效应，以及其他相关的新奇物理现象。对于单层材料,很强的自旋轨道耦合效应和空间结构反演不对称性导致WS2中价带K点自旋劈裂能为0.4eV。我们发现对于不同层数的WS2样品，其劈裂能大小与单层样品一样。AB initio计算表明这个和样品厚度不相关的劈裂能来源于巨大的自旋－能谷耦合作用，它完全抑制K点附近电子在不同层之间的跳跃。强的自旋轨道耦合作用使得双层WS2材料继承许多单层过渡金属硫化物中能谷的物理性质。此外，自旋、能谷和层自由度之间的相互作用使得双层WS2表现出新的特性。我们在双层WS2样品上观察到了荧光偏振性同激发光的偏振性相同。低温下圆偏振荧光偏振度接近100%，并且在室温下依然可以观测到。高圆偏振度的荧光结果揭示了自旋、能谷和层三个自由度在双层样品上的耦合作用。此外，双层WS2材料中接近80%的线偏振荧光度揭示了动量空间不等价的两个能谷之间的高度相干性。双层WS2的新奇特性也为室温下实现量子操控提供了理想的材料体系。