多层二维过渡金属硫族化合物垂直型异质结的制备及其谷电子学性质研究

Similar to charge and spin, two inequivalent valleys can be used as information carriers and thus the corresponding electronics is called valleytronics. Valleytronics is quickly emerging as an exciting field due to its promising potential applications. Monolayer transition metal dichalcogenides are ideal candidates to study and explore valleytronics because of their large valley separation in momentum space, which leads to the fact that the valley index is robust against scattering by phonons. Up to date, the studies on valleytronics mainly focus on the monolayer transition metal dichalcogenides by the circular polarized photoluminescence. However, it is essential to study the valleytronics by using circular polarized electroluminescence since we eventually need to electrically access and detect the valley information. We propose here to use multilayer transition metal dichalcogenides based vertical heterostructures to investigate the valley polarization. A vertical electric field will be utilized to break the inversion symmetry leading to the two inequivalent valleys, which enables us to investigate the electrical-driven circular polarized light emission, circular polarized light detection and associated carrier dynamics in this sort of vertical heterostructures. Our studies will shed light on the light-emitting devices with spin- and valley polarization and motivate more studies on the valleytronics based on multilayer transition metal dichalcogenides vertical heterostructures.

像电子和自旋一样，谷指数可以作为信息的载体，对应的电子学为谷电子学。由于其潜在的应用前景，受到了广泛的关注。在单层过渡金属硫族化合物中，不等价能谷在动量空间有很大分离，谷指数不易受到声子散射的影响，是研究和探索谷电子学的理想材料。目前基于过渡金属硫族化合物的谷电子学研究主要集中在其单层的光致圆偏振光发射。然而谷电子学最终要回归到电学测量，所以电致圆偏振光发射对谷电子学的研究有更为重要的意义。本项目提出利用多层过渡金属硫族化合物垂直型异质结的电致圆偏振光发射来研究其谷电子学。我们计划利用垂直方向电场引起多层过渡金属硫族化合物的中心反演对称性破缺，以实现电致圆偏振光发射、探测及所涉及的载流子的物理过程研究，从电光的角度对多层过渡金属硫族化合物中谷电子学进行研究。本项目的开展，将为基于多层过渡金属硫族化合物垂直型异质结中电致圆偏振光发光器件提供一定的指导，并为基于其谷电子学的开展注入新的动力。

谷电子学类似于微电子学和自旋电子学，是一类新型的信息处理和存储的电子学。谷电子学具有能耗低、高速、信息不易丢失和集成度高等特点，是后摩尔时代的一个重要选项之一。本项目主要围绕着过渡硫族化合物中谷自由度的调控展开的。我们在过渡金属硫族化合物异质结中实现了电荷累积，从而调节了层间激子的辐射复合速率；进一步利用外加电场调节放置不同衬底上的单层二硫化钨发光，实现了室温的激子光电开关；在多层过渡金属硫族化合物异质结中实现了层间激子的发光，并且这些层间激子具有谷极化性质，其长寿命可以在谷电子学方面有独特优势；进一步在二维钙钛矿（二维手性钙钛矿）/过渡金属硫族化合物中观测到了很强的层间激子发光，并且利用二维手性钙钛矿的自发自旋极化对过渡金属硫族化合物进行自旋注入，实现了对其谷极化率的调控。我们的研究将进一步推动谷电子学的相关的理论和应用研究。在项目执行期内，在国际一流期刊发表论文20余篇，包括Nature Communications， ACS Nano， Nano Letters等。出站博士后两名，毕业博士1名，硕士1名，在读博士6名，硕士8名。