Nat. Commun. | 利用栅压调控激子向三子的转化延长单层碲化钼的能谷极化寿命

研究背景

能谷是固体中电子能带的极小点，通过控制电子在不同能谷中的分布，即谷自由度，可以对信息进行编码和处理。谷自由度是对电子的电荷和自旋两个内禀自由度的扩展，由于能谷电子不产生电荷流，因此可以用于实现小尺寸、低功耗、非易失的电子器件，并衍生出“能谷电子学”。此外，由于能谷在动量空间分离，能谷电子的信息受到保护，有望应用于量子存储、量子计算等新兴领域。

在二维过渡金属硫族化合物(2D-TMDCs)的六方晶格中，由于特殊的对称性及自旋轨道耦合，能谷与电子自旋锁定，因而可以通过光学手段选择性对能谷信息进行操控，为能谷电子学的发展注入了新的活力。能谷极化寿命作为能谷器件的重要指标，是保持粒子在不同能谷中非平衡分布的时间。由于2D-TMDC中激子间的交换作用，其能谷寿命通常只有几个皮秒，这极大地限制了能谷自由度的应用，而激子在结合另外一个电荷形成三子后，其谷寿命显著增加。

此外，单层MoTe₂的发光位于硅吸收透明的近红外波段。相比于其他位于可见光波段的TMDC，单层MoTe₂材料在片上集成的能谷应用方面更具有研究价值。然而，现有实验报道实现单层MoTe₂的能谷荧光极化一般需要强磁场条件，不利于集成谷电子器件的实用化发展。

创新研究

近日，清华大学电子工程系宁存政教授和孙皓副研究员团队提出了通过电学调控激子向带电激子（三子）的转化改变材料中主要的去极化通道，从而将单层碲化钼（MoTe₂）的能谷寿命从皮秒提升了三个量级达到纳秒尺度。此外，首次在无磁场条件下观测单层MoTe₂的谷极化荧光，在电学调控下分别实现激子与三子的能谷极化率为38 %和33 %。研究工作揭示了激子和三子的能谷动力学以及多种去极化通道之间相互影响的作用机制，为延长能谷极化提供了有效的策略，在量子计算，量子存储等领域具有重要应用潜力。

相关成果以“Prolonging valley polarization lifetime through gate-controlled exciton-to-trion conversion in monolayer molybdenum ditelluride”为题，于2022年7月14日发表于《Nature Communications》上。文章的理论和实验工作均在清华大学完成，清华大学电子工程系为论文第一单位。宁存政教授为本文通讯作者，电子工程系博士生张琪瑶与孙皓副研究员为文章共同第一作者。其他作者包括电子工程系博士生唐嘉铖、戴星灿老师及王震博士。

研究亮点

本研究工作创新提出利用栅压调控将激子转化为三子，结合三子能够长时间保持谷极化的特点，首次将单层MoTe₂中的谷极化寿命从皮秒量级提升至纳秒量级，为谷极化信息的操控和存储奠定了重要的物理基础。同时，本研究工作提出在近共振的光学激发下，基于栅压调控结构，首次在无磁场条件下观测到单层MoTe₂能谷极化的荧光。图1展示了栅压调控的器件结构，通过栅压调控激子与三子的比例实现了激子与三子的极化率达到38%和33%。

图1 栅压器件结构以及栅压调控的能谷极化PL结果 （a）器件的结构示意图（b）横截面示意图以及（c）显微镜照片。（d）不同栅压下单层MoTe₂的能谷极化荧光谱 （e）激子与三子的能谷极化率随栅压的变化趋势。（f）激子与三子的荧光强度随栅压的变化。

图2（a）展示了在单层MoTe₂中激子与三子的多种衰减通道共同影响了能谷极化的衰减，激子与三子的衰减可以分为谷内（intravalley）衰减和谷间（intervalley）衰减，谷内衰减占总衰减的比值决定了能谷极化率的数值。在光泵浦产生了K与K’谷的不平衡分布之后，激子通过超快的电子空穴交换作用在两个谷达到平衡分布，同时激子发生谷内衰减包括复合和向三子转化，转化形成的三子由于难以发生自旋翻转因此可以保持长时间的能谷极化，因此激子向三子的转化在能谷极化中具有重要的作用。图2（b-d）展示了电中性下激子与三子的能谷去极化过程，激子的极化快速消失，而三子的能谷极化维持时间超过600皮秒。

图2 材料中的能谷极化衰减通道以及时间分辨的泵浦探测结果。（a）激子与三子不同的谷内（intravalley）以及谷间（intervalley）衰减通道示意图。（b）电中性条件下极化分辨的反射谱随时间衰减轮廓图。（c）激子和（d）三子在两个谷的反射谱随时间的衰减变化以及极化率（蓝点）衰减。

图3展示了在栅压调控下单层MoTe₂中激子的能谷极化衰减。由于激子谷内与谷间寿命的尺度接近，均在皮秒量级，因此观测到的能谷极化率有限，随着栅压调控促进激子向三子转化，谷内衰减占据总衰减比例提升，因此激子极化率显著提升。

图3 栅压调控的激子能谷动力学

图4展示了在栅压调控下三子的能谷极化衰减。中性下，三子的谷间衰减时间显著长于谷内衰减，随着栅压提高载流子浓度，加速了三子谷间衰减，然而由于激子向三子转化，激子极化率决定了三子的初始极化率，因此随着栅压提高激子极化率，三子的极化也得到了显著提升。

图4 栅压调控的三子能谷动力学

图5将本文的荧光极化以及能谷寿命结果与其他报道中的结果进行了对比。对于不同的TMDC，能谷极化率随着近共振失谐能量的提高而降低。在4-125 K低温条件下，其他TMDC的能谷寿命一般在几到几十皮秒量级，本工作中激子的能谷寿命在1-4皮秒，而三子的能谷寿命则达到了1.5纳秒，比其他TMDC的能谷寿命更长，对能谷应用来说是非常关键的参数。

图5本文结果与报道的其他单层TMDC结果进行对比：（a）能谷极化率随近共振失谐能量变化的结果；（b）能谷极化寿命的结果。

总结与展望

综上，本文提出在近共振光学激发条件下，采用栅压调控器件结构有效操控激子向三子的转化，从而改变材料中的主要去极化通道，将单层MoTe₂中的谷极化寿命从皮秒提升至纳秒量级，并首次在无磁场条件下将激子和三子的能谷极化发光分别提升到38%和33%，达到了此前其他文章在超强磁场下极化水平的报道结果，从而证明了MoTe₂材料在片上谷电子器件领域的应用潜力。

未来能谷寿命可以通过使用TMDC 异质结构或转角结构进行进一步扩展，或者通过与手性超表面或微纳光子结构结合，使得能够有效操纵和检测谷极化发光特性。此外，本文还为单层TMDC中能谷相关的多体相互作用提供了丰富的理解，为推进硅基集成的能谷应用奠定了物理基础。

本研究得到了国家重点研发项目、北京自然科学基金、国家自然科学基金、北京市未来芯片技术高精尖创新中心、北京市信息科技国家中心和清华大学自主科研经费的支持。

封面图

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-31672-y