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近日,复旦大学物理系的吴施伟教授、刘韡韬教授课题组,与龚新高教授的计算组合作,由江涛、刘珩睿等博士研究生巧妙地通过“折纸”方式,研究了与天然结构截然不同的二硫化钼双层材料,并通过这些样品实现了对二硫化钼能带结构、能谷、自旋电子态的操控。该项研究工作(Valley
and band structure engineering of folded MoS2
bilayers)于8月31日在《自然·纳米技术》(Nature
Nanotechnology)上在线发表(DOI:10.1038/nnano.2014.176)。

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过渡金属二硫属化物是近年来在国际上最受关注的二维量子功能材料之一。它们有着与石墨烯类似的蜂窝状结构,但相邻的晶格点位被不同原子交替占据,同时具有强烈的自旋-轨道耦合,因而展现出一系列新奇的物理特性。以二硫化钼为例,从多层到单原子层,二硫化钼的能带结构从间接带隙演化为直接带隙,使荧光效率、光吸收截面都大为提高;此外,单层的二硫化钼具有一种新的电子态——能谷量子态,可被视为继电荷、自旋之后电子的第三种内秉自由度。深入理解这些新奇量子现象的内在机制,从而进一步实现对它们的操控,对凝聚态物理学、与未来新型的电子学、光电子学领域都有重要的价值。

过渡金属二硫属化物是近年来在国际上最受关注的二维量子功能材料之一。它们有着与石墨烯类似的蜂窝状结构,但相邻的晶格点位被不同原子交替占据,同时具有强烈的自旋-轨道耦合,因而展现出一系列新奇的物理特性。以二硫化钼为例,从多层到单原子层,二硫化钼的能带结构从间接带隙演化为直接带隙,使荧光效率、光吸收截面都大为提高;此外,单层的二硫化钼具有一种新的电子态——能谷量子态,可被视为继电荷、自旋之后电子的第三种内秉自由度。深入理解这些新奇量子现象的内在机制,从而进一步实现对它们的操控,对凝聚态物理学、与未来新型的电子学、光电子学领域都有重要的价值。

过渡金属二硫属化物是近年来在国际上最受关注的二维量子功能材料之一,深入理解其内在机制,从而进一步实现对它们的操控,对凝聚态物理学与未来新型的电子学、光电子学领域都有重要的价值。

据吴施伟教授介绍,这一工作的构想是基于二维量子功能材料的“超薄”性:即将单原子层材料像一张纸一样直接折叠,发展出自然结晶、或外延生长所无法获得的双层结构。取决于不同的折叠方向与折线位置,二硫化钼“折纸”拥有丰富多样的层间排列方式,继而导致不同的宏观结构对称性与层间耦合。科研团队运用非线性二次谐波成像、荧光光谱、和旋光退偏度等多种实验技术,结合第一性原理计算,研究了各类二硫化钼“折纸”的空间与电子结构。

据吴施伟教授介绍,这一工作的构想是基于二维量子功能材料的“超薄”性:即将单原子层材料像一张纸一样直接折叠,发展出自然结晶、或外延生长所无法获得的双层结构。取决于不同的折叠方向与折线位置,二硫化钼“折纸”拥有丰富多样的层间排列方式,继而导致不同的宏观结构对称性与层间耦合。科研团队运用非线性二次谐波成像、荧光光谱、和旋光退偏度等多种实验技术,结合第一性原理计算,研究了各类二硫化钼“折纸”的空间与电子结构。

据吴施伟介绍,这一工作的构想是基于二维量子功能材料的“超薄”性,即将单原子层材料像一张纸一样直接折叠,发展出自然结晶或外延生长所无法获得的双层结构。取决于不同的折叠方向与折线位置,二硫化钼“折纸”拥有丰富多样的层间排列方式,继而导致不同的宏观结构对称性与层间耦合。科研团队运用非线性二次谐波成像、荧光光谱等多种实验技术,结合第一性原理计算,研究了各类二硫化钼“折纸”的空间与电子结构。

研究表明,具有中心反演对称的天然二硫化钼双层仅有微弱的能谷-自旋极化,而二硫化钼“折纸”可直接打破中心反演对称,继而大大增强这一极化。此外,层间耦合的变化不但可以大幅影响二硫化钼“折纸”的间接带隙,更可作为“折纸”中能谷赝自旋与电子自旋之间关联的“开关”,使一些中心反演对称的二硫化钼“折纸”也保留了很强的自旋极化。这一工作对理解和操控能谷、自旋、和层间耦合等多个自由度的相互影响和作用提供了丰富的实验平台,并为制备二维人工材料和未来新型量子器件提供了一种新思维。

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该工作的研究得到了科技部、基金委、教育部、上海市教委、人工微结构科学与技术协同创新中心及复旦大学的支持。

该工作的研究得到了科技部、基金委、教育部、上海市教委、人工微结构科学与技术协同创新中心及复旦大学的支持。

《中国科学报》 (2014-09-02 第4版 综合)

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