二维原子层谷电子学材料和器件*

孙真昊 管鸿明 付雷 沈波 唐宁

(北京大学物理学院, 人工微结构与介观物理国家重点实验室, 北京 100871)

1 引 言

1965 年英特尔创始人之一戈登·摩尔提出了著名的摩尔定律: 集成电路上可容纳的元器件数目,每隔18 个月便会增加1 倍.现今十分成熟的硅基光刻工艺保证了芯片元件特征尺寸可以做到几个纳米的量级.但当芯片尺寸继续降低, 由于能耗和量子效应的影响, 电路集成度、器件运行速度接近理论极限.在此背景下, 寻找新型电子自由度、发展新型电子器件成为重要的研究方向之一.

近年来, 电子的一种新型内禀自由度“能谷”被发现并被用来研究和发展新型电子学器件.能谷是晶体布洛赫电子能带的极值点, 其形似“山谷”而得名.类似于电子自旋自由度, 能谷自由度也被称作赝自旋.能谷器件相比传统器件有着运算速度快、集成度高、信息不易失真、能耗低等优点, 因此“谷电子学”近年来成为凝聚态方向研究的热点[1−5].

谷电子学的发展与二维原子层材料的研究密不可分.早期石墨烯被证实通过人为手段打破空间反演对称性可以出现依赖于能谷的光学、电学性质[6,7].与石墨烯不同, 单层过渡金属硫属化合物(transition metal dichalcogenides, TMDCs)晶体结构不具有空间反演对称性, 贝里曲率非零, 另外能谷与自旋之间存在强耦合[8], 通过光[9]或电磁注入自旋[10]的方法可以实现特定能谷的极化.单层与多层TMDCs 材料之间对称性的不同也提供了人为调控能谷性质的途径.因此TMDCs 材料……