太赫兹自由电子激光辐照下单层MoS2、WS2的光探测Hall效应研究

On the basis that the first Chinese terahertz (THz) free-electron laser (FEL or CTFEL) can provide picosecond (ps) and high-power single pulse THz radiation, we propose to establish "ps THz FEL pump-ps THz probe" system. Utilizing this advanced optical facility, we intend to study photo-detected Hall effect (PDHE) caused by proximity induced interactions in 2D TMD valleytronic materials such as monolayer MoS2 and WS2. We wish that we can be the first to be able to observe this important effect experimentally at room-temperature and in the absence of a magnetic field. We will examine how the radiation intensity and frequency of the CTFEL can affect the PDHE in a 2D TMD valleytronic material. The implementation of this project can promote greatly the technological level for the application of the CTFEL in scientific research and can extend more widely the area of the CTFEL application in order to prodece more innovative research outcomes on the basis of the CTFEL facility.

项目拟充分发挥我国首台太赫兹（THz）自由电子激光（FEL或CTFEL）具皮秒脉宽微脉冲和高单脉冲功率的特性，应用我国在高灵敏THz探测器研制取得的具国际先进水平的成果，在CTFEL装置上搭建首创的“皮秒THz FEL泵浦-皮秒THz探测”实验平台，并实现其独特的先进测量功能。依托此实验平台，并针对Hall和量子Hall效应这一凝聚态物理学研究的前沿课题，将在室温、无外加磁场的条件下，研究二维过渡金属硫化物（如单层MoS2和WS2）谷电子学材料由于与衬底的邻近效应导致电子能量在不同能谷简并消除诱导的光探测Hall效应，力争在国际上率先实验观测到此效应，并研究CTFEL辐照强度、频率对此效应的影响和调控规律，在装置上做出原创性重要应用科研成果。这将成为在CTFEL装置上搭建的首个综合性光学实验设施，建成后将提升装置的应用技术水平、拓展应用领域，为取得更多原创性研究成果提供先进实验技术。

本项目依托我国自主研制的首台太赫兹自由电子激光装置（CTFEL），搭建先进光学测量平台，结合基于太赫兹时域光谱的偏振和磁光测量，重点研究了谷电子学材料（如单层MoS2、单层WS2、单层hBN等）和其他电子材料（如高迁移率GaSb晶片、MnSn薄膜、拓扑电子材料、石墨烯、纳米碳点材料、单链DNA结构等）的光电及太赫兹光电特性。（1）完成了CTFEL装置用户实验室的升级改造，优化了太赫兹光束传输、整形系统以及太赫兹光束与红光光束的同路系统，可为用户实验提供高品质太赫兹光源以及方便用户装置应用实验的光路调整；（2）研制成能够在CTFEL装置上使用的0.5-3 THz高灵敏太赫兹探测器，该探测器的时间分辨可达纳秒量级；（3）利用CTFEL装置独特的太赫兹脉冲特性，在CTFEL装置上搭建了“皮秒太赫兹自由电子激光泵浦-皮秒太赫兹探测”实验测量平台，此系统与其他目前常用的超快泵浦-探测系统比较，在电子、光电子材料的研究中具有独特的测量技术优势；（4）作为此先进光学测量系统的初步应用，研究了高迁移率GaSb材料的非线性载流子动力学特性，此工作为在CTFEL装置上取得的首项可公开发表的应用研究成果；（5）对不同衬底上具谷电子学特性的二维电子材料的光电、太赫兹光电及太赫兹磁光电物理特性进行了理论和实验研究；（6）对谷电子学材料系统的光探测Hall效应进行了理论和实验研究。应用线偏振太赫兹辐照，在熔融石英衬底上的单层hBN中首次实验观测到太赫兹光Hall效应。项目实施期间，发表学术论文25篇（包括3篇封面/封底及亮度文章和4篇JCR一区文章），一项发明专利授权，三项研究工作被国内外科研机构专题报道，在七个国内外学术会议报道研究成果，培养一名硕士研究生和四名博士研究生毕业。完成了项目任务书要求的各项研究内容和各项预期指标。此项目的研究工作进一步深入了解了谷电子学材料及其他相关电子材料的基本物理特性，为这些新型电子材料的器件应用打下了科学研究基础。