二维过渡金属硫族化合物的显微偏振光电流研究

Direct-bandgap semiconducting transition metal dichalcogenides (including MoS2, WS2, MoSe2, WSe2) monolayers feature in the valley degree of freedom. Excitons in the two valleys of opposite chirality can be selectively polarized by circularly polarized light, which enables transition metal dichalcogenides to be a candidate of novel optoelectronic materials. Optically pumped valley polarization has to be converted to electricity in order to make practical valleytronics devices. However, the investigation of opto-electricity conversion of the valley polarization is lacking. In this project we will systematically study the physics of valley polarization and its opto-electricity conversion and manipulation in transition metal dichalcogenide monolayers and heterostructures. We will experimentally detect the helicity-dependent photocurrents in the system and understand their correlation with the material structure and properties based on a polarization-resolved confocal microscopy system. We will further apply external electric field and strain to tune the helicity-dependent photocurrents to explore the influences on spin and valley polarization, spin-orbit interaction, exciton behavior and heterostructure interlayer exciton, interlayer charge transfer, etc.. The study will pave a practical way for transition metal dichalcogenide materials in future optoelectronic applications.

直接带隙的半导体过渡金属硫族化合物（包括MoS2, WS2, MoSe2, WSe2等) 单层具有谷自由度，两个手性相反的谷中的激子能够被圆偏振光选择性地极化，因而成为潜在的新型光电子器件材料。光注入产生的谷极化需要转变为电信号，才能够实际应用到谷电子学器件领域中。然而，对光致谷极化到电信号的转换研究既零散又匮乏。本项目拟将以一套光纤共聚焦显微偏振光电流探测系统为研究手段，系统地研究过渡金属硫族化合物中谷极化光电转换的物理过程及调控方法。我们将首先对过渡金属硫族化合物单层及异质结中的圆偏振光电流效应进行探测，掌握圆偏振光电流与材料结构和特性的内在联系，然后通过电场、应力等外部条件对圆偏振光电流进行调控，分析其对结构内部的自旋-谷极化、自旋轨道耦合、激子效应以及异质结层间激子、层间电荷转移等物理过程的影响,从而为过渡金属硫族化合物层状材料在光电子的应用提供实践性的科学依据。

直接带隙的过渡金属硫族化合物（MX2, M=Mo,W; X=S, Se, Te) 单层具有谷自由度，两个手性相反的谷中的激子能够被圆偏振光选择性地极化，成为潜在的新型谷光电子器件材料，利用谷自由度进行信息处理能够有效减少能量损耗，因此，谷电子器件的研究对于信息社会的发展具有十分重要的意义。而要实现谷电子器件与传统半导体器件的集成，需将光注入产生的谷极化转变为电信号。然而，此前对光致谷极化到电信号的转换缺乏深入系统的研究。为此，本项目以显微偏振光电流为研究手段，围绕过渡金属硫族化合物多层及异质结体系开展了以下研究：1.制备了MoS2/WSe2异质结，利用自制的光纤显微偏振光电流探测系统，研究了该异质结体系中的圆偏振光电流效应，观察到局部电场分布导致的体系对称性破缺，实现了垂直激发条件下的圆偏振光电流，同时发现与单层WSe2激子能量共振的圆偏振光激发能够获得更高的谷极化度；2.利用外部栅压改变激子的迁移率，对体系中的圆偏振光电流进行调控；3.在MoS2/WSe2异质结体系中实现了室温下的谷霍尔效应，此外，利用外加栅压实现了霍尔电导的幅度和方向的完全调控，预示着相位编码以及幅度编码的谷电子器件有望实现；4.研究了少层二类外尔半金属MoTe2中的圆偏振光电流效应，发现该体系的圆偏振光电流来源于逆自旋霍尔效应。这些研究结果为新型自旋电子器件和谷电子器件的发展和应用提供了实践方面的科学依据，为进一步研究过渡金属硫族化合物及其异质结体系中的自旋-轨道耦合、自旋-谷锁定、谷极化以及激子输运等物理性质提供了理论支持。