[发明专利]一种基于空间对称性破缺二维材料能谷极化电流的调制方法

说明书

本发明公开了一种基于空间对称性破缺二维材料能谷极化电流的调制方法，首先用空间对称性破缺二维材料构筑器件，包括两种类型：一种是从下至上分别为SiO₂衬底、二维材料、源极电极和漏极电极；另一种是从下至少分别为SiO₂衬底、底栅电极、底栅介电层、二维材料、源极电极和漏极电极、顶栅介电层、顶栅电极。本发明通过对二维材料层数的选择控制能谷极化电流极化大小，可以为能谷电子学的器件制备提供更易实现的方法，优于目前只能通过单层二维材料及其异质结的方式达到调控能谷极化的目的。

技术领域

本发明涉及二维半导体和光电流调控领域，具体涉及一种基于空间对称性破缺二维材料场效应晶体管的能谷极化电流调制方法。

背景技术

目前常规半导体技术是基于对电子电荷的操纵，实现信息的处理和存储。而电子还存在其他可用于编码和信息处理的自由度，如自旋和能谷。过去几十年里，关于自旋电子逻辑器件研制和半导体基的自旋电子学设备的研究已经取得了长足进步和生产验证。类似于自旋的作用，半导体能带结构中还存在能谷，于局部的价带最大值和导带最小值间，能谷自由度也可用于存储和处理信息。另外，二维材料在光电子学上具有独特性质，且能集成于硅基结构中构筑场效应晶体管研究各种半导体性质，二维材料与能谷的结合进一步使得能谷电子学的研究更为充分。特别是随着具有六方形晶胞结构的过渡金属硫族化合物的出现，其电学性质受布里渊区中+K和-K的不同谷所掌控，使得过去由于能级简并被限制的谷自由度研究得以进一步发展。

在二维材料体系中，通过圆偏振光电流来获取基于自旋-能谷自由度的信号只能存在空间对称性破缺的结构中，在自旋-轨道的相互作用下，产生块状晶体和低维凝聚态物质系统中自旋带的动量依赖性分裂。这种结构包含两种类型：一种是材料晶体本身缺乏反演对称中心，是材料的内禀属性，如手性晶体碲单质、拓扑绝缘体和单层二维过渡金属硫族化合物材料；另一种是由器件中材料间接触或外加电场引发的空间反演对称性破缺，广泛存在于量子阱系统、二维电子气和离子液覆盖系统中。在量子阱结构中，人们观测到的圆偏振光电流仅来自于材料结构的空间对称性破缺导致的能级劈裂，没有涉及对能谷自由度的利用，仅是一种对自旋与电荷的转换。而后，人们发现，单层二维过渡金属硫族化合物中材料的空间对称性天然破缺，而且带隙从间接带隙转变为直接带隙，使得其具有更强的跃迁概率。但是，单层材料的厚度小于1纳米，通过化学气相沉积技术生长难以形成均匀连续高质量的薄膜。因此，非单层薄层二维材料结构更符合对高质量连续大面积生长的需求。目前已有使用离子液技术促使多层材料表面出现反演对称性破却的结构，但是仍然是单层结构的拓展，其得到的圆偏振光电流是来自于受离子液调控表层材料出现了对称性的变化，这种方法的弊端在于离子液分布具体情况未知，没有定量的控制方法。

发明内容

为了能够更好地调控稳定可靠的圆偏振光电流，提出了使用空间反演对称性破缺的薄层二维材料作为自旋-能谷电子器件的沟道材料。采用化学气相输运法生长空间反演对称性破缺结构的二维材料单晶，通过机械剥离法获得任意层数的薄层材料，使用微纳加工技术构筑场效应晶体管，在圆偏振光调制下，实现对能谷极化的调控，从而得到具有谷值信息的圆偏振光电流。

本发明采用的技术方案详述如下：

一种基于空间对称性破缺二维材料能谷极化电流的调制方法，包括如下流程：

晶体生长和表征方法：

1.使用化学气相输运法生长空间对称性破却的二维材料单晶；

2.通过光学显微镜和倍频拉曼光谱表征单晶的结构相为生长空间对称性破缺相。

优选地，所述的空间对称性破缺二维材料的通式为MX2，其中M是过渡金属元素钼、钨(Mo、W)等，X是硫族元素硫、硒、碲(S、Se、Te)。这些材料形成X-M-X形式的层状结构，即空间中一层M原子夹在两层X原子间。