单层二硫化钼中线性与非线性电、磁输运性质的研究

Recently, the monolayer MoS2 has attracted considerable attention. Due to its excellent semiconductor property, the monolayer MoS2 maybe has a wide application in the future microelectronic field. In contrast to the traditional two-dimensional electron system, the research on the transport properties of monolayer MoS2 in the presence of external field is just starting. In this project, by utilizing the generalized balance equation approach we will investigate the linear and nonlinear transport properties of n-type and p-type monolayer MoS2 driven by electric and magnetic fields. The effects of spin-orbit coupling, intervalley carrier-phonon scattering, carrier density, temperature, and electric field on the electric transport behavior will be examined. The Shubnikov-de Haas oscillation, including the phase inversion of differential resistance in the presence of finite dc current bias, will be analyzed. The study on the current-induced magnetoresistance oscillation in this system will be carried out. Also, we will explore the magnetophonon resonance induced by optical phonons at high temperature and the possibility of the magnetophonon resonance induced by acoustic phonons at low temperature will be discussed. It is expected that these studies will help us to enhance the deep understanding of this novel two-dimensional system, to explain the experimental results, and to design a new kind of devices basing on monolayer MoS2.

最近，单层二硫化钼引起了人们极大的关注。由于其优异的半导体性能，单层二硫化钼可能在未来的微电子学领域具有广泛的应用前景。相比于传统的二维电子系统，外场作用下单层二硫化钼输运性质的研究才刚刚起步。本项目将利用推广的平衡方程方法研究电、磁场作用下电子型和空穴型单层二硫化钼的线性、非线性输运性质：探讨自旋轨道耦合、谷间载流子声子散射、载流子浓度、温度和电场等对单层二硫化钼电输运性质的影响；分析单层二硫化钼中的Shubnikov-de Haas 振荡，包括有限直流电流偏置下微分电阻的相位翻转效应；考察该系统中直流电流导致的非线性磁阻振荡现象；研究单层二硫化钼在高温下光学声子引起的磁声共振以及低温下声学声子引起磁声共振的可能性等。本项目有助于人们对电、磁场作用下这种新颖二维载流子系统的深入理解，并且将为实验观测和开发基于单层二硫化钼的器件提供理论依据。

单层二硫化钼由于其优异的半导体性能，可能在未来的微电子学领域具有广泛的应用前景，最近引起了人们极大的关注。本项目在考虑各种谷内、谷间电子杂质散射和电声子散射的基础上，研究了单层二硫化钼低温下的Shubnikov-de Haas(SdH)振荡和高温下的磁声共振效应。在谷内电子杂质散射下，纵向磁阻随磁场显示明显的SdH振荡，同时伴随着来源于强自旋轨道耦合的拍频行为。这个拍频还引起了振荡相位的翻转。进一步在强磁场或者低填充时，振荡的频率加倍。对于谷间载流子杂质散射下，SdH振荡在强磁场时可能会出现电阻接近零的区域。高温下，声学声子和光学声子引起的单层二硫化钼的磁声共振都被观察到了。同样自旋轨道耦合引起了振荡的明显拍频。进一步，衬底会贡献很强的表面光学声子，强烈地影响其中的振荡行为。在考虑各种散射机制的基础上，研究了弱、强电场作用下硅烯中的电输运性质，发现其中的迁移率和电阻可以极大地被调控。证实了拓扑Weyl半金属中SdH振荡相位移动的非单调性，解释了实验上观察到各种相位移动数值的原因。对于Dirac半金属，量子振荡的相位移动是离散的1/8或者5/8。本项目还预言了来源于拓扑能带翻转的振荡拍频效应。预言了Weyl、Dirac半金属中费米弧引起的三维量子霍尔效应。样品的上下表面的费米弧各自贡献量子霍尔效应所需要的电子气的一半，电子通过Weyl点实现上下两个表面的Fermi弧间的隧穿。在量子极限下，理论上证明了磁场诱导的Weyl点的湮灭，Weyl点附近打开能隙，从而解释了实验上观察到了霍尔电阻的反常变号。采用了普遍的圆环nodal line模型讨论了nodal-line半金属的相位移动规则，并将其推广到实际的Cu3PdN和ZrSiS，澄清了nodal-line半金属的量子振荡相位移动的实验争论。从一个倾斜的二维带质量的Dirac模型出发，给出了无磁场的非线性霍尔效应的在能带反交叉点和能带反演点处具有很大的数值。进一步，这个理论被推广到了双层WTe2材料。