近日，瑞士洛桑联邦理工学院纳米电子与结构实验室Andras Kis副教授研究团队在二维范德华异质结层间激子谷自由度研究中取得了突破性进展，研究人员设计了一种实验装置，针对MoSe2/WSe2以及异质结中的超长寿命层间激子进行了有效的电场控制与偏振切换，本实验对于进一步实现实际设备中谷自由度的控制具有重要意义。该项研究成果以“Polarization switching and electrical control of interlayer excitons in two-dimensional van der Waals heterostructures”为题发表在《Nature Photonics》杂志上。
为克服电子器件依赖电荷自由度来存储和处理信息的固有局限性，研究人员考虑在电子器件中利用调控谷自由度（其与载体所占导（价）带的最大最小值有关）来设计能耗与发热更少的新一代电子器件。在这一方面，二维半导体如过渡金属硫族化合物，由于其能带结构具有不等价的K和K'谷态（可以产生二元赝自旋系统），因而在操纵激子的一个特性——“谷”方面表现出了显著的优势。同时，二维范德华异质结构无需满足界面处晶格匹配的要求，且制备方法简单，是研究异质结激子态行为的理想体系。
有效控制长寿命的层间激子的谷态，一直是进行新一代光学信息编码，实现稳健信号传输的必要手段。尽管现已有不少对层间激子发射特性的相关研究，但目前主要以光学手段调控过渡金属硫族化合物（TMDC）二维材料电子谷自由度为主。本研究展示了利用电学手段对MoSe2/WSe2范德华异质结层间激子进行的全面电场调控，研究人员利用六方氮化硼（h-BN）封装晶格有序的异质结，可以确定出圆偏振极化下两个具有相反自旋的独立的窄层间跃迁（其入射光的偏振态或维持不变或发生逆转）。通过调控电场来控制跃迁的相对强度，本实验装置可以实现对发射强度和波长的偏振调节（可视为偏振开关）；在外加磁场作用下，两项跃迁均被观察到有较大的g因子，上述实验结果可以参见莫尔条纹增强的禁阻跃迁图像。本实验利用电场和磁场施加影响，借助二维范德华异质结中层间激子的极化态（即谷态），来改变和调节光的偏振、波长和强度，为利用谷自由度特征来控制光信息编码等相关研究打开了新的思路。尽管实验结果符合激子-莫尔相互作用原理（exciton–moiré interaction）这一原理，但要实现实际的谷电子装置，仍需要进行深度工程设计以不断优化性能和提高效率。
图1 器件特性
a，器件结构示意图；
b，器件的光学图像；
c，MoSe2/WSe2异质层间的能带图（上图）和内层（X0）、夹层（IX）激子及其偶极矩p的示意图（下图）；
d，异质结的光致发光光谱：MoSe2，WSe2和异质结层间激子的发射；
e，异质双层B的光致发光光谱；
f，考虑结构及其与圆偏振光的耦合，K谷中的自旋守恒（IX1）和自旋翻转（IX2）跃迁的示意图。
图2 层间激子的电控制
a，在恒定掺杂条件下，光致发光发射随外加栅极电压VTG和VBG的变化；
b，当静电掺杂器件时，光致发光发射随门极电压的变化图。
图3 电场控制偏振
a，当用右旋圆偏振光泵浦器件时，左、右圆偏振光发射强度之间的差异的光致发光图；
b-d，双门控模式下设备操作的详细信息。左图显示VTG= + 8V，0V和-8V的光致发光光谱。右图显示了相应栅极配置中
（光谱上积分δIRL）的空间成像。
图4 偏振切换操作
当用右旋圆偏振光泵浦器件时，右圆偏振光和左圆偏振光发射强度之间的差异图。
图5 磁场对层间激子的影响
a，+3T和-3T之间的磁场施加在IX1左圆偏振发射（左列）和IX2右圆偏振发射（右列）的光致发光光谱；
b，IX2左圆偏振峰和IX2右圆偏振峰之间的能量偏移ΔE。
文章链接
https://www.nature.com/articles/s41566-018-0325-y
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两江科技评论编辑部
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