基于表面等离子体热电子增强的二硫化钼能谷霍尔效应研究

How to tune the valley Hall effect in monolayer MoS2 has attracted increasing attention in the field of electronic materials and devices. However, the development of MoS2 valley Hall devices is restricted because the light-material interaction is weak and the valley Hall conductivity cannot be easily tuned. Concerning this issue, it is proposed in this project that, with the plasmon-induced hot electron enhanced the valley Hall effect, valley electrons could be tuned and detected. Specifically, we will do the following works. At first, a model of plasmon-induced hot electron enhanced valley Hall effect will be build, and prove the its feasibility in theory. And next, design and fabricate the MoS2 valley Hall device with nanometal structure, and research the plasma resonance and the hot electron injection. At last, experiments will be performed to testify the modulation mechanism of valley Hall effect by the hot electrons. Based on the investigation the interaction of hot electron and the valley electron, it is hoped to realization of a controllable valley Hall effect in monolayer MoS2. The results by this proposal have a significant role for the development of valley electronic devices.

基于新型单层二硫化钼薄膜的能谷霍尔效应的可控调制是当前电子材料及器件的研究热点。然而，单层二硫化钼中电子与激发光场耦合较弱，且霍尔电导极难调控，制约了能谷霍尔器件的发展。针对此科学问题，本项目提出利用表面等离子体热电子增强的能谷霍尔效应对能谷电子进行调控和探测，具体研究内容涵括为三个方面：首先，构建表面等离子体热电子增强型的能谷霍尔效应模型，并从理论上证明其对能谷电子进行调控的可行性；其次，设计与制作亚波长尺度金属结构的二硫化钼能谷霍尔器件，并对等离子体模式及热电子发射进行仿真模拟；最后，进行等离子体热电子调控下的能谷霍尔效应实验研究。本项目旨在通过研究表面等离子体热电子与二硫化钼能谷电子耦合机制，实现单层二硫化钼能谷霍尔效应的调制。本项目的实施对发展新型能谷电子器件具有重要的意义。

电子具有电荷和自旋两个内禀自由度，基于这两个自由度的调控和探测，分别发展了电荷器件和自旋器件。然而，在具有特殊对称性的晶体材料中，能谷也可作为电子新颖的自由度。如果对能谷不同占据状态进行编码的话，即可实现一种新型的信息存储和处理方式。以能谷自由度为信息载体的电子器件将具有高速度、易集成、低能耗等优点，如何实现对电子能谷的有效调控和探测成为近年兴起的研究前沿。基于此，本项目设计具有手性特征的人工金属结构，制备人工金属结构的二硫化钼霍尔器件，并研究其对圆偏振光子对二硫化钼能谷自由度的调控等内容。.通过以上研究计划，本项目研究了二硫化钼单层薄膜材料的生长技术及控制条件，并通过设计制备金属微纳结构，二硫化钼霍尔器件，研究了偏振光对二硫化钼光谱、霍尔电流的调控等内容。特别是，通过测试霍尔器件在不同温度下的载流子输运特性，揭示了二硫化钼能谷的可调控性。其次，本项目研究了二硫化钨、硒化钨、硒化铅等其他纳米材料的材料制备技术和光电性能，得到了硒化铅材料的生长及退火关键技术参数。.本项目的实施，具有其重要的科学探索意义，为能谷电子学的发展及能谷电子器件的设计提供理论和实验基础。其次，通过本项目的完成过程，完成了1名博士生和3名硕士生的科研能力培养，并完成多次科普宣传活动，在科研的传承和科学素养的普及方面具有重要意义。