手性分子对二维材料TMDCs自旋-能谷极化效应的调控及机理研究

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二维(2D)材料因其卓越的物理性质和在光学、电子学、光电子学以及自旋电子学等领域的潜在应用而受到人们极大的关注。在过去的几十年里,很多研究工作都集中在了石墨烯上。然而石墨烯是一种零带隙半导体,这限制了其在光电子学方面的应用。而过渡金属硫属化物(Transition Metal Dichalcogenides,TMDCs)与石墨烯相似,是一种具有蜂巢结构的二维层状材料,其层内原子的成键属于共价键,层与层之间则为较弱的范德华力,且带隙随层数的变化而变化。作为TMDCs的典型代表,块状二硫化钼(MoS2)及二硫化钨(WS2)是一个间接带隙半导体,受量子限制效应的影响,单层MoS2及WS2薄膜会转变成直接带隙半导体。除此之外,单层MoS2及WS2的空间反演对称性缺失,且具有强烈的自旋-轨道耦合效应(Spin-Orbit Coupling,SOC),从而导致价带与导带出现劈裂,形成两个能级,而由于时间反演对称性,这两个能谷自旋方向相反,可以通过圆偏振光实现选择性激发,这使其在谷物理、自旋电子学和谷电子学等方面的应用成为可能。通过两步化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)法,将双功能钠盐Na2Mo O4?2H2O、Na2WO4?2H2O作为钼源及钨源,硫粉为硫源,制备出了高质量且大面积的二维材料MoS2及WS2。同时,通过对生长温度与载气种类的阶段性调控,发现了单层薄膜的三个成长步骤,分别为成核、扩展、融合成型。此外,研究发现钼源及钨源在熔融态温度时,将保护性气体高纯Ar更换为还原性气体Ar/H2混合气,将促进与硫源的结合以及单层薄膜的形成。并且在保温结束后重新换回高纯Ar,可以阻止Ar/H2混合气中的H2对MoS2及WS2单层膜和Si O2/Si衬底的进一步刻蚀,最终获得高质量的MoS2及WS2单层膜。通过采用组氨酸(D-C6H9N3O2、L-C6H9N3O2为镜面对称结构的手性生物分子,DL-C6H9N3O2非手性生物分子)生物分子溶液对MoS2单层膜进行负载修饰,我们发现D-C6H9N3O2因其独特的分子结构更容易吸附于MoS2单层膜表面。室温下,由于强烈的谷间散射,MoS2单层膜的极化度较低。而D-C6H9N3O2的负载因手性诱导的自旋选择效应(Chirality-Induced Spin Selectivity Effect,CISS)而在单层MoS2布里渊区的+K/-K谷中分别诱导并产生了不同程度的价带劈裂值,进而极大增加了MoS2单层膜的极化度。
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