Nature Materials: 单层二硫化钼材料中的谷磁电效应

【引言】

二维狄拉克材料包括缺陷石墨烯和单层过渡金属双硫化物，其中的电子具有新的双重谷自由度，该双重谷自由度分别对应着布里渊区中K和K’谷。电子的谷自由度能够给材料带来轨道磁距。净谷磁化强度是谷基材料应用的基础。谷磁化强度有两个来源，一个是谷有限总体不平衡，另一个为虽然谷有限总体平衡，但其具有分布差异。前者会被谷间散射放缓，而后者会被谷间散射大大限制。二维狄拉克材料谷对比的贝瑞曲率能够对外磁电刺激进行响应，从而能够实现对谷磁化强度更好的控制。虽然用圆偏振光和垂直平面的磁场对谷磁化强度的控制工作已经做了很多，但兴起的实用谷电子设备要求能够用纯电场对谷磁化强度进行控制。谷磁电效应能够很好满足这个要求。要实现线性的磁电效应，需要破缺的时间反演和空间反演对称性。对于一个电导体，其时间反演对称性可以被外电场打破，其的损耗是通过载流子散射实现的。这样的方式实现的磁电效应被称为动力学磁电效应。单层过渡金属硫化物如二硫化钼，其本质是非中心对称的，通过适当掺杂或加偏置电压，其对称性就能满足要求。但其本质三次旋转对称性会消除材料中的谷磁电效应。这也是现在厄待解决的问题。

【成果简介】

近日，来自美国宾夕法尼亚州立大学的Kin Fai Mak和Jie Shan（共同通讯）基于电子谷自由度在二维狄拉克材料中成功实现了一种新形式的磁电效应，大大推进了谷电子材料的应用。研究成果以Valley magnetoelectricity in single-layer MoS₂为题发表在Nature  Materials上。

研究人员在聚二甲硅氧烷衬底上从二硫化钼晶体上剥离了一层二硫化钼材料。之后，研究人员通过拉伸衬底在单层二硫化钼材料上施加了一个单轴应力，从而破坏了二硫化钼材料的三次旋转对称性。对于这种材料，可以实现纯电场对谷磁化强度的控制，而且其可以通过克尔旋转显微镜直接成像。研究人员发现观测的面外磁化强度与面内磁场强度互相独立，但是面外磁化强度与面内电流密度成很好的线性关系，而且当电流正交于应变引起的压电场时，所观测的面外磁化强度达到最优值。这些研究结果与理论的贝瑞曲率效应驱动的磁电效应符合得很好，而且该效应存在室温中。

研究人员的工作为谷电子设备的应用打下基础，大大加快了相关领域的发展。

【图文导读】

图1  应变二硫化钼材料中的磁电效应

（a）压电场E_PZ（右边）是由于应力导致六方晶格（左边）扭曲和与之有关的离子电荷极化而产生的。蓝色小球和黄色小球分别代表钼原子和硫原子。

（b）由于压电场E_PZ的存在，导致材料内出现面内电流J，从而产生面外磁化强度M_v。

（c）n掺杂的单层二硫化钼布里渊区中K和K’谷周围的电子能带图。能带的极值在单轴应变下从K/ K’（黑色虚线）转变到相反方向。当然，其也没能与贝瑞曲率分布（蓝色虚线）的极值相交。在面内偏压条件下，费米能级发生倾斜。

（d）平行于激发极化方向二次谐波分量强度（I）与从扶手椅方向测量得到的激发极化角（θ）的关系符号点。实线是拟合结果，拟合方程为I=I₀cos²(3θ)，其中I₀定义为最大极化强度。

（e）柔性衬底上，应变为0% (蓝色), 0.1% (蓝绿色) 和 0.2% (绿色)的单层二硫化钼材料扶手椅方向的光致发光谱。红线是单层二硫化钼材料转移硅衬底的光致发光谱。光谱被归一化到峰值强度，并且垂直移动以确定清晰度。

图2  二硫化钼材料中的谷磁电效应和谷霍尔效应

（a）两个相反偏场方向（黑色箭头）下，没有应变的单层二硫化钼的克尔旋转图像。电极和设备通道的边界分别被黑色虚线和绿色虚线标出。没有应变的样品在V_ds =2.5 V和V_g =0 V (J=22 A m⁻¹)条件下被测试。在整个通道上观察得到克尔旋转图像。

（b）两个相反偏场方向（黑色箭头）下，具有应变的单层二硫化钼的克尔旋转图像。电极和设备通道的边界分别被黑色虚线和绿色虚线标出。具有应变的样品在V_ds =2.5 V和V_g =20 V (J=13 A m⁻¹)条件下被测试。在整个通道上观察得到克尔旋转图像。

（c）无应变设备中，恒定位置上门电压与克尔旋转角度关系符号点和门电压与通道电流密度J在V_ds =2.5 V条件下关系曲线（红色实线）。插图显示在V_g =20 V下相应的符合点和曲线。

（d）应变设备中，恒定位置上克尔旋转角度与面内磁场强度B的关系曲线。插图是自旋磁化率M_s和缺少自旋磁化率的谷磁化率M_v的汉勒效应示意图。

图3  谷霍尔效应电流方向依赖关系

（a）当单层二硫化钼材料沿扶手椅方向受到一个单轴应力，其会沿着扶手椅方向产生一个压电场E_pz。

（b）在V_ds =1 V和V_g =25 V(J=3.9 A m⁻¹)条件下，在科宾诺盘几何中测量得到的样品a的克尔旋转图像。

（c）根据方程（1）理论得到的谷磁化强度的空间分布。E_pz方向被橙色线标出。电极和设备通道的边界分别被黑色虚线和绿色虚线标出。

（d-f）与a-c类似，只是单层二硫化钼材料沿锯齿形方向受到一个单轴应力。在V_ds =6.9 V和V_g =20 V(J=2.2 A m⁻¹)条件下测量得到克尔旋转图像。

图4  谷霍尔效应与温度的关系

（a）应变设备中，在V_ds =2 V和温度为10、50、 90 和 110 K条件下，恒定位置门电压与两点电导率关系曲线图。

（b）应变设备中，在V_ds =2 V和温度为10、50、 90 和 110 K条件下，恒定位置门电压与克尔旋转角度关系曲线图。插图显示的是门电压与克尔旋转角度和两点电导率在室温条件下的关系曲线。

【小结】

研究人员在单层二硫化钼材料中引入单轴应力，成功破坏了单层二硫化钼材料的三次旋转对称性，让单层二硫化钼材料具有净谷磁化强度。该材料能够实现纯电场对谷磁化强度的控制，为谷基材料的应用打下基础，大大加快了相关材料领域的发展。

文献链接：Valley magnetoelectricity in single-layer MoS₂（Nature  Materials,2017, Doi:10.1038/nmat4931）

本文由材料人电子电工学术组一棵松供稿，材料牛整理编辑。

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