近日，廈門大學(xué)康俊勇教授團(tuán)隊(duì)采用鐵電柵控方法，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)單層和雙層WS2的非易失性能谷調(diào)控，并在室溫下獲得了較高的谷極化率。這一研究將為室溫谷電子器件的開發(fā)打下基礎(chǔ)，研究成果發(fā)表于著名學(xué)術(shù)期刊ACS Nano。

能谷指的是材料能帶中的極值點(diǎn)，是電子的一個(gè)新的自由度。基于對(duì)能谷屬性的編碼和探測(cè)，谷電子器件在信息存儲(chǔ)、處理和傳輸領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。二硫化鎢（WS2）具有較強(qiáng)的自旋-軌道耦合、較高的量子產(chǎn)率和較大的激子結(jié)合能，是研究能谷特性的理想載體。為了實(shí)現(xiàn)谷電子器件的廣泛應(yīng)用，一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是保持高的谷極化率，即將電子局域在動(dòng)量空間中的一個(gè)能谷中。

 為了實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體材料自旋-能谷特性的有效調(diào)控，研究團(tuán)隊(duì)已開展了一系列的探索，曾利用相變工程【ACS Nano, 2021, 15: 8244-8251】、等離子激元共振【ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13: 35097-35104】和寬禁帶半導(dǎo)體界面耦合【Science China-Materials, 2022, DOI: 10.1007/s40843-022-2138-x；Physica Status Solidi-Rapid Research Letters, 2021, 2000493】等手段提升半導(dǎo)體的谷極化率和自旋能谷分裂。在諸多調(diào)控手段中，電操控能與現(xiàn)有的MOS技術(shù)結(jié)合，是一種方便直接的方法。根據(jù)理論預(yù)測(cè)，要有效地調(diào)控WS2的谷極化，需要一個(gè)極大的柵電場(chǎng)，這對(duì)于器件應(yīng)用來說是不現(xiàn)實(shí)的。因此，用適中的柵壓實(shí)現(xiàn)對(duì)谷特性的有效電控制是實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵步驟。

鐵電柵控是一種有效調(diào)制二維半導(dǎo)體電學(xué)性質(zhì)的方法。研究團(tuán)隊(duì)通過引入鐵電PZT作為背柵極介質(zhì)，利用其超強(qiáng)的表面極化場(chǎng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單層和雙層 WS2中谷激子特性的有效電調(diào)控。當(dāng)金屬頂柵與WS2直接接觸時(shí)，鐵電柵調(diào)控作用主要由靜電摻雜效應(yīng)主導(dǎo)，調(diào)控效果較弱。通過將金屬頂柵與WS2絕緣，發(fā)現(xiàn)主導(dǎo)調(diào)控機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)殪o態(tài)表面極化場(chǎng)、電子−聲子耦合和表面態(tài)的動(dòng)態(tài)俘獲/釋放的綜合作用。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到激子能量、光致發(fā)光強(qiáng)度和谷極化率都存在較強(qiáng)的柵電壓依賴關(guān)系。在非共振激發(fā)條件下，單層和雙層WS2在室溫谷極化率分別可達(dá)33.3%和43.5%（15 V柵壓）。由于鐵電的非易失性，即使在去除柵極電壓之后，調(diào)制效應(yīng)仍然可以保持。

圖 1 鐵電柵控WS2器件結(jié)構(gòu)示意圖、PZT的表面極化場(chǎng)和WS2的能谷極化的柵電壓依賴關(guān)系。

圖 2 (a)單層（ML）和(b)雙層（BL）WS2谷極化率的溫度依賴關(guān)系；(c)不同調(diào)控手段下WS2的谷極化率（非共振激發(fā)條件）。

  該工作表明，通過鐵電柵控可以實(shí)現(xiàn)單層和雙層WS2中谷激子特性的非易失性電操控，其出色的谷極化特性為材料走向?qū)嶋H應(yīng)用提供了一種方便有效的方案。

   相關(guān)研究成果以“Nonvolatile Electrical Valley Manipulation in WS2 by Ferroelectric Gating”為題在線發(fā)表在ACS Nano期刊上，論文第一作者為李煦副教授，通訊作者為吳雅蘋教授、吳志明教授和李書平教授。東南大學(xué)李玲龍副研究員也參與了此項(xiàng)研究工作。

近年來，團(tuán)隊(duì)在新型半導(dǎo)體材料及異質(zhì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、生長、物性調(diào)控和器件應(yīng)用等方面取得了系列研究成果，部分代表性工作如下：

 （1）X. Zhou, et al., Direct synthesis of moiré superlattice through chemical vapor deposition growth of monolayer WS2 on plasma-treated HOPG. Nano Research, 2022, 15: 8587–8594

（2）X. Zeng, et al., Modulating the intralayer and interlayer valley excitons in WS2 through interaction with AlGaN. Science China-Materials, 2022, doi: 10.1007/s40843-40022-42138-x

（3）H. Liu., et al., Enhanced Valley Splitting in Monolayer WSe2 by Phase Engineering. ACS Nano, 2021, 15: 8244-8251

（4）X. Li, et al., Review of Anisotropic 2D Materials: Controlled Growth, Optical Anisotropy Modulation, and Photonic Applications. Laser & Photonics Reviews, 2021, 15: 2100322

（5）G. Liu, et al., Enhancement of Room-Temperature Photoluminescence and Valley Polarization of Monolayer and Bilayer WS2 via Chiral Plasmonic Coupling. ACS Applied Materials & Interfaces, 2021, 13: 35097-35104

（6）Q. He, et al., Deeply Exploring Anisotropic Evolution Towards Large-Scale Growth of Monolayer ReS2. ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12: 2862-2870

（7）J. Hou, et al., Reduced turn-on voltage and boosted mobility in monolayer WS2 transistors by mild Ar+ plasma treatment. ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12: 19635-19642

（8）J. Zhou, et al., Strain manipulation of the polarized optical response in two-dimensional GaSe layers. Nanoscale, 2020, 12: 4069-4076

論文鏈接： https://doi.org/10.1021/acsnano.2c07469

（來源：廈大物理）