二维超薄半导体中自旋-能谷相关磁性研究

Magnetism is a fundamental building block of the modern science and technology. Seeking a class of semiconductor with magnetic property is a long term goal in the research field. Atomically thin Group-VI transition metal dichalcogenide crystals, emerging as a family of intrinsic 2-dimensional (2D) semiconductors with a sizeable bandgap in the visible and near infrared range, are predicted to carry non-zero but contrasting orbital magnetic moments at different valleys in the Brillouin zone. In this project, we aim to utilize the sensitive magnetometry based on the NV centers in diamond to study the magnetism in 2D transition metal dichalcogenides arising from both the valley magnetic moments and the regular atomic edges. By collaborating relevant expertise on physics, materials sciences, and nanotechnology, we aim to make a significant contribution to understanding the magnetic properties of 2D atomically thin semiconductors, using the optically detected magnetic resonance (ODMR) technique based on the atomic defects in diamond. The results from this project will represent a key step to advance the nanoscale sensing and magnetic resonance imaging (MRI) technology.

物质磁性是现代科学技术发展的重要基石。一直以来，找寻一类具有磁学性能的半导体是科研人员的长远目标。作为新兴半导体出现的二维六族过渡金属硫化物提供了研究半导体中磁学性能的良好平台。除了具有位于可见光或近红外波段内的可观能隙，这类新型二维半导体还被预言在其第一布里渊区中的不等价能谷里，电子及空穴具有着非零且相反的轨道磁矩。在此项目中，我们拟利用基于金刚石中氮空位色心的超灵敏磁力计来开展二维过渡金属硫化物半导体中由能谷磁矩以及规则边沿态导致的磁性研究工作。通过与相关的物理学以及材料科学方面的专家们合作，利用基于金刚石中缺陷态的光探测磁共振技术，我们将致力于理解这一类二维原子级超薄半导体中的磁学特性。本项目的成功实施将为推动以及发展纳米尺度上的磁共振成像技术提供重要的步骤。

范德华层状材料提供了在二维极限下开展新奇物性探索的优异平台，近年来，在二维材料中探索磁学现象为这一研究领域的前沿热点。在本项目中，我们围绕“如何定量表征二维材料中的微观磁矩”这一前沿科学问题开展了系列研究。在项目执行期间，我们发展了二维材料及相关异质结可控制备手段，自主搭建了光探测磁共振谱实验平台，并优化了基于金刚石氮-空位色心的超灵敏测量技术，制备了二维材料/金刚石氮-空位色心混合系统，在外场下利用基于金刚石氮-空位色心光探测磁共振谱的谱学成像技术，定量研究了二维半导体自旋相关磁性，实现二维体系中铁磁-顺磁相变点的精准测量。项目取得的研究成果，以学术论文的形式发表在国际主流学术期刊上。本项目的研究成果推动了金刚石色心磁共振成像技术在凝聚态物理领域的应用，为人们定量理解二维原子级超薄半导体中的磁学性质提供了帮助，能够促进基于二维材料的自旋电子学领域的发展。