二维过渡金属硫化物磁电量子结构中自旋和谷依赖的输运性质研究

Monolayer （ML） transition metal dichalcogenide with the strong spin-orbit coupling and the relatively large direct band gap is a novel two-dimensional (2D) semiconductor material, and a promising candidate for the spintronics and valleytronics devices. Locally applying the external electric field, magnetic field to the two-dimensional (2D) semiconductor material, or being deposited magnetic trips and electrodes on them, the magnetic and electric quantum structures can be formed. There are many fantastic electronic transport properties in such structures. Here we focus our attention on designing novel quantum structure with optimal spin-filtering and valley-filtering effect based on the 2D transition metal dichalcogenide semiconductor material, investigating the influence of line-type resonance, spin-orbit coupling effect, quantum size effect, as well as exchange field on the spin and valley polarizations, and the control of tunneling time about spin- and valley-polarized electrons, then predicting the novel spin- and valley-related phenomena and effects, and providing physical models and theoretical fundaments for potential practical applications.

具有强自旋轨道耦合效应及较大直接带隙的单层过渡金属硫化物是新型二维半导体材料，是实现自旋电子学和谷电子学器件的良好候选者。在这种二维半导体材料上局域施加外电场、外磁场或局域沉积铁磁条及电极可以形成磁电量子结构，其中蕴含新奇的电子输运特性。本项目旨在基于二维过渡金属硫化物半导体材料，设计具有优越自旋或谷过滤效应的磁电量子结构，研究其中线型共振、自旋轨道耦合效应、量子尺寸效应、交换场等对自旋和谷极化效率的影响，对自旋和谷依赖隧穿时间的有效调控，预言自旋和谷相关的新现象及新效应,为可能的应用提供物理模型和理论依据。

层状过渡金属硫化物的成功制备开启了人们对二维材料中的新效应、新应用的广泛研究。为了实现高效的自旋电子器件或谷电子器件，对于自旋极化/谷极化输运的产生和操纵是主要任务。本项目围绕二维过渡金属硫化物磁电量子结构中自旋和谷依赖的输运性质展开研究，取得了一些具有创新性的成果：（1）基于正常/铁磁/正常单层二硒化钨(WSe2)量子结构，研究了谷塞曼效应、速度垒和光场对自旋和谷输运的影响。结果表明，谷塞曼效应和光场调控下实现了谷开关，速度垒与光场调控下不仅可以实现谷开关，同时可以实现自旋开关。（2）基于单层二硒化钨对称双电垒结，研究了光场对自旋和谷依赖输运的调控。在透射谱中观测到自旋、谷和能量依赖的线型共振峰。两垒区域辐照相同手性光时，调节光诱导带隙能够实现谷过滤；两垒区域辐照相反手性光时，观测到谷阀效应。（3）基于单层二硫化钼MoS2磁电量子结构，研究了速度垒、磁交换场、自旋塞曼效应、栅压和光场等对自旋和谷依赖的输运性质的影响。发现，通过速度垒大小可以调节自旋和谷极化幅度和方向，通过调节光场、自旋塞曼效应和栅压可以同时获得理想自旋和谷极化，调节磁交换场的方向和大小，实现了理想自旋极化的同时可以获得巨磁阻效应。（4）隧穿时间是各种电子器件最终实现应用的关键因素。我们研究了正常/铁磁/正常单层二硫化钼结中狄拉克电子隧穿电垒的隧穿时间。结果表明由于价带边的自旋-谷耦合和磁交换效应，居留时间不仅是自旋分离的也是谷分离的。并且，自旋和谷依赖居留时间强烈地依赖于入射角及电垒的宽度和高度。这些研究结果为探测和获得高自旋和谷极化率提供新手段，为实现高效自旋电子学器件和谷电子学器件提供新思路。