北理工單層二維硫化鉛材料的拓?fù)洹⒐纫约肮鈱W(xué)特性研究進(jìn)展
發(fā)布日期：2017-09-11 供稿：物理學(xué)院
編輯：周格羽 審核：蘇文勇 閱讀次數(shù)： 
圖1. 二維硫化鉛的晶體結(jié)構(gòu)。
在國(guó)家自然科學(xué)基金委和科技部項(xiàng)目的資助和支持下，《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）在線(xiàn)發(fā)表了北京理工大學(xué)姚裕貴教授課題組（萬(wàn)文輝博士、劉鋮鋮博士、姚裕貴教授）與美國(guó)德州大學(xué)達(dá)拉斯分校的張帆博士和美國(guó)俄亥俄州博林格林州立大學(xué)的孫良峰博士合作的關(guān)于二維硫化鉛（PbS）單層薄膜的研究成果【Adv. Mater. 29, 1604788 (2017)】。
近年來(lái)二維量子材料的新奇性質(zhì)吸引了人們的廣泛關(guān)注。在石墨烯或者單層過(guò)渡金屬硫化物中，谷自由度的引入與控制導(dǎo)致了新奇能谷效應(yīng)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(shí)驗(yàn)中觀(guān)察到拓?fù)浣^緣體量子態(tài)。基于這些二維量子材料特殊的能谷、拓?fù)涮匦裕藗冇型O(shè)計(jì)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(yīng)用前景。然而，目前實(shí)驗(yàn)上已合成的二維單層材料中，人們還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)能夠同時(shí)擁有新奇能谷效應(yīng)與拓?fù)湫再|(zhì)的材料。
圖2.單層硫化鉛的帶隙以及能帶拓?fù)湫再|(zhì)在 (a) 雙軸應(yīng)變和（b）單軸應(yīng)變下的演變。
近來(lái)，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(gè)垂直的能谷，該材料可作為一個(gè)理想的平臺(tái)用于同時(shí)研究電子的能谷效應(yīng)和拓?fù)湫再|(zhì)，此外多層硫化鉛的能帶帶隙覆蓋了從紅外到可見(jiàn)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(yīng)變下轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌耐負(fù)淞孔討B(tài)包括拓?fù)浣^緣體和拓?fù)渚w絕緣體，并相應(yīng)的在邊緣出現(xiàn)受拓?fù)浔Ｗo(hù)的邊緣態(tài)。對(duì)于不同拓?fù)潆娮討B(tài), 研究發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)上可采用不同的偏振光予以激發(fā)，并通過(guò)探測(cè)電子的自旋和谷信息來(lái)進(jìn)行區(qū)分。這使得單層硫化鉛不僅可以應(yīng)用在應(yīng)變控制的低功耗光電器件中，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)一系列由應(yīng)變和光偏振度調(diào)制下的電荷、自旋和谷電子霍爾效應(yīng)。值得指出的是，在單層硫化鉛中預(yù)測(cè)的有關(guān)能帶拓?fù)洹⒛芄刃?yīng)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(shí)驗(yàn)上合成，未來(lái)人們有望在這些單層四六族化合物中觀(guān)測(cè)到這些新奇物理現(xiàn)象，為設(shè)計(jì)新型低能耗光電器件奠定基礎(chǔ)。
圖3 單層硫化鉛的不同拓?fù)鋺B(tài)下出現(xiàn)的光選擇性以及對(duì)應(yīng)激發(fā)的載流子在縱向電場(chǎng)下出現(xiàn)的霍爾效應(yīng)。
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