过渡金属二硫族化合物 MX2 中自旋和能谷自由度的高分辨自旋分辨角分辨光电子能谱研究

Recently, due to many helpful characteristics such as direct bandgap, strong spin-orbit coupling and valley coupled optical selection rules, the atomically thin layers of transition metal dichalcogenides MX2 (M=Mo, W and X=S, Se) have attracted great attention. Such two-dimensional MX2 layered materials might become the base of micro-/nano- electronics and optoelectronics in the near future. In physics, these materials have very special electron band structures being spin splitting, valley polarized and spin-valley locked. It is the prerequisite for making and optimizing the devices to elucidate and understand such kinds of electronic structures. In this project, we propose to make a systematic and deep investigation on the spin- and valley-polarized electronic structure of the two-dimensional MX2 materials, by using our advanced VUV laser-based spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy system (It was successfully developed by our team). We will mainly focus on a few points: (1). to study the spin-resolved band structure of the typical MX2 bulk materials; (2). to investigate the spin-resolved electronic structure of the typical MX2 monolayer; (3). to uncover the features and law of spin polarization, spin-orbit coupling and spin-valley coupling. Such studies are helpful to find the action properties and interaction rule behind the spin and valley degrees of freedom. The realization of this project might also provide some fundamental information for developing and utilizing the new type and high quality of devices.

近年来，因为拥有直接带隙、强自旋轨道耦合和能谷激发旋光选择性等特点，单原子层过渡金属二硫族半导体MX2 (M=Mo,W and X=S,Se)引起科学界极大兴趣，可望成为后摩尔时代的微纳电子、光电子学基础材料。物理上, 这类材料拥有自旋、能谷劈裂且自旋与能谷自由度相互锁定的特殊能带电子结构。阐明并理解这样的电子结构是制作和优化器件的基础！但迄今自旋分辨方面研究还未见报道。本项目拟采用我们国际领先的深紫外激光自旋分辨角分辨光电子能谱仪, 对单原子层MX2材料自旋能谷劈裂的独特电子结构进行系统和深入的研究。内容主要包括: (1)获得典型MX2体材料的自旋分辨能带电子结构; (2)典型单原子层MX2自旋极化能带结构研究; (3)确定自旋极化、自旋轨道耦合和自旋能谷耦合的特征和规律. 我们相信, 研究结果将促进理解和阐明自旋和能谷自由度的特性和相互作用规律, 为新型优质器件的开发利用提供基础信息。

发端于石墨烯的二维材料研究是近年来凝聚态物理学、材料科学研究领域的国际热点课题。过渡金属二硫族单原子层材料，不仅表现出很多新奇的物理现象和性质，而且在未来的突破摩尔定律限制的微电子工业、光电子工业等领域具有重要的应用价值。我们利用高分辨角分辨光电子能谱，系统研究了单原子层MoS2, WSe2以及单层和双层MoTe2 的电子结构和微观电子运动规律。也对二硫族相关材料ZrTe5、HfTe5 和 WTe2 拓扑本质和反常输运特性进行了超高分辨ARPES 研究。. 首次对机械解理获得的毫米尺寸单原子层WSe2 进行了详细的电子结构测量，结果为利用其开发电子器提供了重要的基础数据；并且在其中首次利用spin-ARPES 观察到 100%的自旋极化，实验上直接验证了理论预言的“spin-valley locking”机制。首次系统研究了单层和双层MoTe2 的电子结构，获得了完整的微观电子参数，也成功分离并抽出了因自旋-轨道耦合和层间耦合导致的能带劈裂。对晶圆级单层二硫化钼 (MoS2) 做了仔细的电子结构表征，为其在电子和光电器件中的应用提供了重要信息。. 首次观测到了ZrTe5 和HfTe5 中存在的温度诱导Lifshitz转变，解决了长久以来一直处于争论状态的反常输运行为的起源，对Lifshitz转变的物理机制做出了合理解释；研究也澄清了它们的拓扑本质，即存在温度诱导的强弱拓扑绝缘体转变的趋势。我们的激光ARPES研究给出了 WTe2 非常清晰的能带结构和费米面, 得出了载流子补偿效应可能不是超大磁阻的主要原因及一个平带可能对超大磁阻起着重要作用的结论.；结果也为从实验上证明其为第二类外尔半金属提供了重要信息。. 项目共发表6篇高水平SCI 论文，Nature Communications, Nano Research，Physical Review B, Science Bulletin, Chin. Phys. Lett.，ACS Nano 各一篇, 还有两篇文章在投稿（Phy. Rev. Lett.）或即将投稿中。

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