清華新聞網(wǎng)7月25日電 近日，清華大學(xué)電子工程系寧存政教授和孫皓副研究員團(tuán)隊(duì)提出通過(guò)電學(xué)調(diào)控激子向帶電激子（三子）的轉(zhuǎn)化改變材料中主要的去極化通道，從而將單層碲化鉬（MoTe2）的能谷壽命從皮秒提升了三個(gè)量級(jí)達(dá)到納秒尺度。此外，團(tuán)隊(duì)首次在無(wú)磁場(chǎng)條件下觀(guān)測(cè)單層MoTe2的谷極化熒光，在電學(xué)調(diào)控下分別實(shí)現(xiàn)激子與三子的能谷極化率為38%和33%。該工作揭示了激子和三子的能谷動(dòng)力學(xué)以及多種去極化通道之間相互影響的作用機(jī)制，為延長(zhǎng)能谷極化提供了有效的策略。
柵壓調(diào)控的二維半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)（左）；激子與三子不同的谷內(nèi)（intravalley）和谷間（intervalley）衰減通道
能谷是固體中電子能帶的極小點(diǎn)，通過(guò)控制電子在不同能谷中的分布，即谷自由度，可以對(duì)信息進(jìn)行編碼和處理。谷自由度是對(duì)電子的電荷和自旋兩個(gè)內(nèi)稟自由度的擴(kuò)展，由于能谷電子不產(chǎn)生電荷流，因此可以用于實(shí)現(xiàn)小尺寸、低功耗、非易失的電子器件，并衍生出“能谷電子學(xué)”。此外，由于能谷在動(dòng)量空間分離，能谷電子的信息受到保護(hù)，有望應(yīng)用于量子存儲(chǔ)、量子計(jì)算等新興領(lǐng)域。
在二維過(guò)渡金屬硫族化合物（2D-TMDCs）的六方晶格中，由于特殊的對(duì)稱(chēng)性及自旋軌道耦合，能谷與電子自旋的關(guān)系永遠(yuǎn)鎖定，因而可以通過(guò)光學(xué)手段選擇性對(duì)能谷信息進(jìn)行操控，為能谷電子學(xué)的發(fā)展注入了新的活力。能谷極化壽命作為能谷器件的重要指標(biāo)，是保持粒子在不同能谷中非平衡分布的時(shí)間。由于2D-TMDC中激子間的交換作用，其能谷壽命通常只有幾個(gè)皮秒，這極大地限制了能谷自由度的應(yīng)用，而激子在結(jié)合另外一個(gè)電荷形成三子后，其谷壽命顯著增加。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出利用柵壓調(diào)控將激子轉(zhuǎn)化為三子，首次將單層MoTe2中的谷極化壽命從皮秒量級(jí)提升至納秒量級(jí)，為谷極化信息的操控和存儲(chǔ)奠定了重要的物理基礎(chǔ)。
7月14日，清華大學(xué)電子工程系寧存政教授和孫皓副研究員團(tuán)隊(duì)在《自然·通訊》（Nature Communications）發(fā)表了題為“利用柵壓調(diào)控激子向三子的轉(zhuǎn)化延長(zhǎng)單層碲化鉬的能谷極化壽命”（Prolonging valley polarization lifetime through gate-controlled exciton-to-trion conversion in monolayer molybdenum ditelluride）的研究論文。
單層MoTe2的發(fā)光位于硅吸收透明的近紅外波段。因此相比于其他位于可見(jiàn)光波段的TMDC，單層MoTe2材料在片上集成的能谷應(yīng)用方面更具有研究?jī)r(jià)值。然而，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)報(bào)道實(shí)現(xiàn)單層MoTe2的能谷熒光極化一般需要強(qiáng)磁場(chǎng)條件，不利于集成谷電子器件的實(shí)用化發(fā)展。本文提出在近共振光學(xué)激發(fā)條件下，采用成熟的柵壓調(diào)控器件結(jié)構(gòu)，將單層MoTe2中激子和三子的能谷極化分別提升到38%和33%，達(dá)到了此前其他文章在超強(qiáng)磁場(chǎng)下極化水平的報(bào)道結(jié)果，從而證明了MoTe2材料在片上谷電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。此外，本文還為單層TMDC中的能谷相關(guān)的多體相互作用提供了豐富的理解，為推進(jìn)硅基集成的能谷應(yīng)用奠定了物理基礎(chǔ)。
本文結(jié)果與報(bào)道的其他單層TMDC結(jié)果進(jìn)行對(duì)比：（a）能谷極化率隨近共振失諧能量變化的結(jié)果；（b）能谷極化壽命的結(jié)果。
論文的理論和實(shí)驗(yàn)工作均在清華大學(xué)完成，清華大學(xué)電子工程系為論文第一單位。寧存政教授為本文通訊作者，電子工程系2017級(jí)博士生張琪瑤與孫皓副研究員為文章共同第一作者。其他作者包括電子工程系2018級(jí)博士生唐嘉鋮、戴星燦老師及2016級(jí)校友王震博士。本研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、北京自然科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金，北京市未來(lái)芯片技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心、北京市信息科技國(guó)家中心和清華大學(xué)自主科研經(jīng)費(fèi)的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-31672-y
供稿：電子系
題圖設(shè)計(jì)：趙存存
編輯：陳曉艷
審核：呂婷
