单层二硫化钼的光致发光与能谷极化研究

万 逸,崔 冬,胡 婷

(南京理工大学 理学院,江苏 南京 210094)

除电荷、自旋之外,电子还具有能谷这一内禀自由度。能谷,表示的是固体材料能带结构的极值点。传统的微电子学,主要基于电荷自由度,已发展出超大规模的集成电路;新兴的自旋电子学,以自旋自由度作为信息载体,在提高存储密度、加快运算速度等方面发挥积极作用。研究者们借鉴自旋电子学的研究思路,尝试以能谷自由度作为信息载体,调控“能谷比特”,设计并实现功能器件,这就是“谷电子学”的由来[1-4]。利用材料本身的磁、电、光、力等性质,有助于实现运算、存储、通信等逻辑功能的高度集成[5];基于能谷自由度的新型功能器件,更是构筑量子计算和量子通讯的重要基础[1-4]。

在二维过渡金属硫族化合物(Transition metal dichalcogenides,TMDs)材料中,存在能谷与自旋的强锁定,这为自旋电子学和谷电子学提供了一个丰富的研究体系[6]。以二硫化钼(MoS2)为例,其单层材料具有的直接带间跃迁,使得能谷具有额外的轨道磁矩,角动量守恒又确保这一跃迁遵循光学选择定则[7-9];在圆偏振光的激发下,可以产生非平衡状态下极化的谷电流[10];理论预言的谷霍尔效应,已被实验所证实[11,12];样品层数与能谷自由度之间的耦合,有望应用在量子计算领域[5]。为了定量分析能谷极化,研究者们引入可测物理量,能谷极化率(Valley helicity),通常以P表示[7-9]。理想情况下,P=100%,这意味着特定旋度的圆偏振光只能激发特定能谷。但是,由于存在谷间散射和激子弛豫,实际测量的室温极化率仅能达到10%～30%,偏振度较低,这就意味着,在圆偏振光选择性激发能谷的过程中,两个能谷之间仍然存在耦合,这对于研究者所期望的,将两个能谷作为0和1两个逻辑单元非常不利。……