单层二维MoS2稀磁半导体材料的合成及其量子器件的研究

Recently, monolayer MoS2 has attracted intensive interests from the researchers because of its special properties. MoS2-based field effect transistor exhibits a carrier mobility of 900 cm2 V−1 s−1 and a on/off ratio larger than 10^8. However, its non-magnetic property has retarded its applications in the quantum devices. Diluted magnetic semiconductors (DMS) have been extensively studied, as it bridges the ferromagnetic and semiconductor properties. It shows a variety of new physical phenomena and functionalities. There is few reports on diluted magnetic monolayer MoS2 semiconductor synthesis. In this proposal, we design a ratioanl synthesis of diluted magnetic monolayer MoS2 by a simple CVD method. By using the structural, chemical composition, magnetic property, magnetic transport characterization methods, we will confirm the as-synthesized sample is single phase of diluted magnetic monolayer MoS2 with promising ferromagnetic property. We will probe the mechanism of the ferromagnetic behavior observed in the as-grown diluted magnetic monolayer MoS2. By using the nanofabrication techiniques, we design a spin-injection quantum device based on the as-synthesized diluted magnetic monolayer MoS2. The spin-injection efficiency will be investigated by studying the injected relaxation and lift time. Our results would open up a new path way to develop the future flexible quantum devices and quantum computers.

基于单层二维MoS2的场效应晶体管载流子迁移率可以达到900 cm2 V−1 s−1，室温情况下的开关比大于10^8。可是该类材料的本征非磁性限制了其在量子器件中特别是二维柔性量子器件中的广泛应用。特别需要指出的是关于实验上合成二维层状稀磁半导体材料的研究鲜有报道，而基于二维层状稀磁半导体材料量子器件的相关报道则几乎没有。本项目申请人在单层二维层状材料合成制备及器件加工方面，积累了丰富的经验。本项目主要利用磁性原子(Co、Fe、Mn)前驱体，通过化学气相沉积法，合成制备单层二维MoS2:(磁性原子)稀磁半导体材料。研究其磁学性质及磁输运行为，探索其磁性机理。通过微纳加工设计量子自旋注入电子器件，研究其自旋寿命、弛豫过程以及载流子浓度、电导率随栅极电压的变化规律，探索其自旋在电场调控下的动力学过程。为未来制备新型二维量子器件奠定相应的基础，将在此研究方向上占领一席之地，取得研究的先机。

在计算机中，信息的加工和临时存储靠半导体集成电路进行，操作的是半导体中电子电荷自由度，而对其电子的自旋自由度并没有得到广泛的应用。操作半导体中的电子自旋和电子电荷两个自由度来进行信息的加工处理和存储，可提升现有器件的功能和开发新一代半导体自旋器件。目前，在传统材料体系中，已经取得了系列的研究成果。但是国内外关于在新型二维层状材料体系中的自旋电子器件的相关报道刚刚起步，特别需要指出的是关于室温下二维层状材料自旋电子器件的演示鲜有报道。.本项目通过第一性原理计算，系统研究了掺钴二硫化钼材料的电子结构及磁性机理。提出了一个磁激子模型，解释Co掺杂所引起的铁磁有序结构，并且理论预言了其居里温度约102 K，跟我们实验上观察到的掺钴二硫化钼居里温度120 K非常接近。基于理论计算的指导，我们通过化学气相沉积法，成功制备合成了掺钴二硫化钼单晶材料，针对其结构、化学组分及磁性的表征测量，进一步证实了钴原子掺杂入二硫化钼母体，并且证实了我们所制备的掺钴二硫化钼材料具有铁磁有序结构。为进一步演示我们所制备的掺钴二硫化钼材料在量子器件方面的应用，我们将所制备的掺钴二硫化钼材料与自旋轨道耦合强烈的金属Ta膜结合，构建CoMoS2/Ta范德华异质结器件，并系统研究了该器件的自旋霍尔磁阻效应随样品厚度的变化关系，揭示二维材料体系中的自旋霍尔效应的内在机理。为未来自旋器件的应用开发，提供了一个全新的思路。