北理工單層二維硫化鉛材料的拓撲、谷以及光學特性研究進展
發(fā)布日期：2017-09-11 供稿：物理學院
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圖1. 二維硫化鉛的晶體結構。
在國家自然科學基金委和科技部項目的資助和支持下，《先進材料》（Advanced Materials）在線發(fā)表了北京理工大學姚裕貴教授課題組（萬文輝博士、劉鋮鋮博士、姚裕貴教授）與美國德州大學達拉斯分校的張帆博士和美國俄亥俄州博林格林州立大學的孫良峰博士合作的關于二維硫化鉛（PbS）單層薄膜的研究成果【Adv. Mater. 29, 1604788 (2017)】。
近年來二維量子材料的新奇性質吸引了人們的廣泛關注。在石墨烯或者單層過渡金屬硫化物中，谷自由度的引入與控制導致了新奇能谷效應的出現(xiàn)，如：谷選擇性圓偏振光吸收。此外，在硅烯、鍺烯、錫烯等二維原子層材料中，由于存在相比于石墨烯更大的自旋軌道耦合能隙，理論上易于在實驗中觀察到拓撲絕緣體量子態(tài)。基于這些二維量子材料特殊的能谷、拓撲特性，人們有望設計新型低功耗光電器件，因此具有極大的研究意義和廣闊的應用前景。然而，目前實驗上已合成的二維單層材料中，人們還沒有發(fā)現(xiàn)能夠同時擁有新奇能谷效應與拓撲性質的材料。
圖2.單層硫化鉛的帶隙以及能帶拓撲性質在 (a) 雙軸應變和（b）單軸應變下的演變。
近來，姚裕貴教授課題組和合作者發(fā)現(xiàn)二維硫化鉛薄膜的能帶中具有兩個垂直的能谷，該材料可作為一個理想的平臺用于同時研究電子的能谷效應和拓撲性質，此外多層硫化鉛的能帶帶隙覆蓋了從紅外到可見光的光譜頻率范圍，因此也非常適用于光電研究。盡管多層硫化鉛都是普通絕緣體，但研究表明單層硫化鉛卻可以在壓縮應變下轉變?yōu)椴煌耐負淞孔討B(tài)包括拓撲絕緣體和拓撲晶體絕緣體，并相應的在邊緣出現(xiàn)受拓撲保護的邊緣態(tài)。對于不同拓撲電子態(tài), 研究發(fā)現(xiàn)實驗上可采用不同的偏振光予以激發(fā)，并通過探測電子的自旋和谷信息來進行區(qū)分。這使得單層硫化鉛不僅可以應用在應變控制的低功耗光電器件中，同時也可實現(xiàn)一系列由應變和光偏振度調制下的電荷、自旋和谷電子霍爾效應。值得指出的是，在單層硫化鉛中預測的有關能帶拓撲、能谷效應和光電特性也廣泛存在于其他四六族化合物中。目前超薄的多層硫化鉛和雙層碲化錫都已在實驗上合成，未來人們有望在這些單層四六族化合物中觀測到這些新奇物理現(xiàn)象，為設計新型低能耗光電器件奠定基礎。
圖3 單層硫化鉛的不同拓撲態(tài)下出現(xiàn)的光選擇性以及對應激發(fā)的載流子在縱向電場下出現(xiàn)的霍爾效應。
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