MoS2薄膜的超高真空原位生长、表征和性质调控

Due to its intrinsic direct band gap at single layer limit and its unique physical properties, single layer MoS2 is promising material in the future semiconductor industry, which therefore has recently stimulated increasing attention in both fundamental research and technological application. Understanding the microsopic picture of its basic physics will be very helpful tfor exploring MoS2-based micro/nanoelectronics and spintroincs. In this project, we propose to study in situ growth of single- / few-layer MoS2 thin films with large scale and high quality in ultrahigh vacuum (UHV) by using molecular beam epitaxy (MBE), and to investigate the morphologies and electronic structure of the MoS2 films at atomic scale by using ultra low temperature and high magnetic field scanning tunneling microscopy (STM). We will focus on the following aspects: (1) to optimize growth mode and morphologies of MoS2 thin film's by modifying the interface structure, quantum size effect, and non-equilibrium MBE growth kinetics; (2) to tailor direct/indirect band gap via doping; (3) to investigate possible important quantum phenomena, such as spin dynamics, spin-carrier scattering and spin coupling etc.

单层MoS2薄膜由于具有类石墨烯的电子结构和特有性质，有望成为未来半导体工业中的一个重要材料。在微观尺度上理解MoS2薄膜的基本物理特性将会推动其在微纳米电子学和自旋电子学等领域的应用。 在本项目中，我们将系统研究超高真空原位大尺度、高质量、层厚可控的MoS2薄膜的分子束外延制备。在此基础上，利用极低温强磁场扫描隧道显微镜在原子尺度和自旋分辨率情况下研究其 MoS2的形貌和电子结构。通过剪裁界面工程和量子尺寸效应、非平衡动力学生长等方法优化薄膜的生长模式和形貌；通过掺杂等方法实现带隙结构及其它电子结构的调控；通过在薄膜中引入磁性元素，探索薄膜中的自旋动力学、自旋电荷散射和自旋耦合等基本量子物理过程，探索MoS2的奇特量子现象。

以MoS2为代表的过渡金属硫族化物（TMD）由于具有很多独特的性质，而被广泛认为具有广泛的潜在应用价值，并且成为今年来的研究热点。在本项目中，我们选择若干种TMD体系，系统地研究了在微观尺度下的控制生长和电子结构的表征。我们通过非平衡动力学生长方法生长出了单层的1T’-WTe2薄膜，通过局域电子态测量，发现了单层1T’-WTe2薄膜的拓扑边界态，从而证明该薄膜为量子自旋霍尔材料。通过电子掺杂，我们实现了调控单层1T’-WTe2的费米能级，并且首次发现在费米能级处有库仑能隙的存在。库仑能隙可以很好的压制体电导的贡献，有助于实现量子化边界电导。我们还从微观上表征了另一种TMD，ZrTe5的电子结构。 我们发现ZrTe5存在一个～80mV的体能隙和表面台阶处的边界态，从而证实该材料也是拓扑绝缘体。我们还首次发现，在磁场的作用下，体系的边界态在能量上有劈裂行为，这种劈裂是由于磁场作用下的体能带结构的拓扑性质变化而导致的。我们将研究方法扩展到了其它的层状材料体系，如Bi2Te3表面的非平衡动力学性质的控制，和Bi2Te3/超导界面的构建和Mojorana费米子的探测。我们发现应力可以调控Bi2Te3表面的吸附和扩散行为，非平衡生长条件可以导致Bi2Te3表面的BiTe超结构。我们利用自旋极化的Andreev散射机制探测到了Mojorana费米子的自旋性质。