电场调控下的二维过渡金属硫族化物

近年来，以石墨烯和二维过渡金属硫族化物为代表的二维半导体材料，因具有许多不同于三维块体材料的优越性质，受到科学家们的极大重视。以MoS₂为例，随着该材料逐渐由块体减薄至单层，其能带结构也由间接带隙逐渐变为直接带隙。同时，单层MoS₂具有空间反演对称性破缺的二维蜂巢状晶格结构，使对能谷自由度的调控成为可能，并极大地激起人们对能谷电子学领域的研究热情。凭借优越的电学和光电性质，二维过渡金属硫族化物半导体开启了电子器件和光电器件研究领域的新纪元。近日，新加坡南洋理工大学刘政课题组从光学、相变和能谷调控三个方面详细总结了二维过渡金属硫族化物电场调控的最新进展。

在光学性能的调控方面，理论计算表明垂直方向上一定强度的外加电场可以使得双层二硫化钼实现从间接带隙半导体到直接带隙半导体的转变，进而改变其发光特性和激子特性。通过门电压调节单层二硫化钼以及二硒化钨的载流子浓度，材料内部可实现电中性激子和带电荷激子之间的转化，同时激子结合能也会改变。此外，在非线性光学领域，外加电场对二维材料倍频调控的研究，使得二维过渡金属硫化物在非线性光电器件方面的应用向前迈进了一步。

载流子浓度是强关联体系中决定电学输运性质的关键因素，而静电场调控是调控载流子浓度的重要手段。二维过渡金属硫族化物，由于其具有包括超导、半金属、电荷密度波（CDW）和Mott绝缘体在内丰富的物相，从而成为研究电场调控相变的重要平台。研究表明，当门电压高于一定值时，半导体相的二硫化钼会表现出金属性质。在低温下，电场可以诱导二维过渡金属硫族化物转变为超导态，这就使得利用电场调控二维超导材料的转变温度成为可能。在TiSe₂体系中，通过调节电场，抑制CDW态的同时诱导超导态，使得体系中实现CDW态与超导态的共存。这为研究多体态之间的相变机制提供了新的思路。

更令人期待的是二维过渡金属硫化物在能谷性能的调控。在外加电场的作用下，双层二硫化钼能够利用自身结构特点实现空间反演对称性破缺，从而进一步实现对能谷极化的调控。同时，能谷霍尔效应的电场调控也得以实现，这就意味着人们距离能谷电子器件的制备又近了一步。此外，在块体WSe₂表面，电场也可以引起空间反演对称性破缺，从而产生并调节自旋或能谷电流。在强电场的调制下，二维过渡金属硫化物的能谷性能可以用来产生电致圆偏光。这些研究使人们在能谷电子学这一新兴领域向前迈了一大步。

通过更深入地研究电场对二维过渡金属硫族化物的光学、电学和能谷性能的调控，可以帮助设计更加新颖和性能更好的光电器件，相信二维过渡金属硫族化物的应用将更加广阔。相关论文近期发表在Advanced Functional Materials 上。 (DOI: 10.1002/adfm.201602404)上。

该论文作者为：Fucai Liu, Jiadong Zhou, Chao Zhu, Zheng Liu

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Electric Field Effect in Two-Dimensional Transition Metal Dichalcogenides

Adv. Funct. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201602404

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