二硒化钼/二硒化铂范德华异质结电学、光学性质研究

In last ten years, different kinds of two-dimensional materials have been synthesized in experiment, such as monolayer h-BN, monolayer transition metal dichalcogenides, and monolayer black phosphorus. The most studied monolayer transition metal dichalcogenide is molybdenum disulfide which is a H-phase direct-gap semiconductor. Recently, a new T-phase monolayer transition metal dichalcogenide, platinum diselenide, was synthesized. It is an indirect gap semiconductor with high mobility. On the other hand, van der Waals heterostructures, made by stacking different monolayer materials on top of each other, have attracted much attention. These heterostructures are easy to fabricate and are expected to combine the advantages of different materials. Moreover, new effects are induced in heterostructures by the interlayer interaction, which will enrich the applications of two-dimensional materials. In this project, we will study the electronic and optical properties of van der Waals heterostructures built by monolayer molybdenum diselenide and platinum diselenide. We will focus on those properties which are caused by interlayer interactions. The results of the research will show the direction of how to improve the performance of these materials on device applications.

近十年以来，各种新型的二维材料相继在实验上制备出来，如单层六方氮化硼，单层过渡金属硫化物，单层黑磷等。其中，单层过渡金属硫化物中研究比较多的是二硫化钼这一类具有H相对称性的材料。最近，单层二硒化铂在实验上制备出来，它具有T相对称性，为间接带隙半导体，且具有较高的迁移率。另一方面，由两种或多种不同的单层材料堆叠形成的范德华异质结，近年来也引起了广泛的关注。它能够集合已有单层材料的优点，且在实验上易于制备。更重要的是范德华异质结由于层间耦合能够表现出单一材料所不具备的新的特性，极大地丰富了二维材料的种类、拓宽了应用领域。本项目以单层二硒化钼和单层二硒化铂为材料设计范德华异质结，研究它的电学和光学性质，特别是层间耦合带来的一些新的物理效应。同时，期望将两种材料各自的优点集合在一起，对它们在器件应用方面的性能有所改进。

由单个或者几个原子层构成的二维材料，如石墨烯、单层过渡金属硫化物（TMDC）、单层黑磷等，为物理学和材料科学的研究注入了新的活力。近年来，为了进一步拓展这些单层材料的应用范围，人们逐渐把目光投向由这些材料堆叠形成的范德华异质结。由于层间相互作用，范德华异质结产生了不同于单层材料的新的物性，为二维材料的应用提供了新的思路。本项目立足于单层PtSe2这种新发现的二维半导体材料，研究了由该材料构成的范德华异质结的电学和光学性质。.本项目第一部分以PtSe2/MoSe2范德华异质结为对象，深入研究其电子结构特性。研究发现在布里渊区点附近由于层间耦合导致大的自旋劈裂（达到110 meV）；为了描述这一能带特征，我们推广了传统的Rashba哈密顿量，拟合得到Rashba常数为1.3 eVA；同时研究了应变、电场对此自旋劈裂的调控，并提出一种新型自旋场效应管。在项目的第二部分，我们研究了PtSe2/ZrS2、PtS2/MoTe2范德华异质结的电子结构和光学性质。发现这两种异质结具备第二类能带对齐的特征，而且在它们吸收谱的低能区新出现了若干吸收峰。通过计算吸收峰对应的倒空间的跃迁权重以及能带的轨道投影，证实了这些新的吸收峰属于层间激子。由于具备较强的结合能（PtSe2/ZrS2：350meV，PtS2/MoTe2: 250meV），实验观测和研究这些层间激子不需要在非常低的温度下进行，表明了这些材料在未来激子器件领域的应用潜力。.本项目的研究成果加深了对范德华异质结电学和光学性质的认识，为实验开展相关研究提供了参考，同时为二维材料在自旋电子学和光电器件应用方面开拓了新的可能性。