Nature:WSe2/WS2超晶格中的低溫光電與磁光性質最新研究進展

2020-12-05 儀器信息網

20世紀60年代物理學家約翰·哈伯德提出的Hubbard模型是一個簡單的量子粒子在晶格中相互作用的物理模型，該模型被用於描述高溫超導，磁性絕緣體，複雜量子多體中的物理機制。Hubbard模型在二維材料中的驗證可以當做是量子模擬器，用以解釋強關聯量子粒子中的問題。近期，美國康奈爾大學的Jie Shan課題組在《自然》雜誌上發表了WSe2/WS2超晶格中的低溫光電與磁光性質最新進展，驗證了Hubbard模型在二維材料體系中的實用性。


文章通過對對角相排列的二硒化鎢（WSe2）與二硫化鎢（WS2）的研究，得到二維三角晶格Hubbard模型的相圖。如圖1a所示，由於雙層WSe2/WS2的4%晶格失配而形成三角形的莫爾超晶格。通過調控雙層WSe2/WS2器件的偏置電壓來調控載流子濃度與填充因子，從而研究其電荷和磁性能。值得注意的是，WSe2/WS2之間的扭轉角不同，兩者的反射光譜展現出不同的性質（見圖1d與圖1e）。同時，在反射對比中觀察到準周期調製，這可能與半整數莫爾代填充有關。

圖1. WSe2/WS2超晶格晶胞(a)，能帶(b)與器件示意圖(c), WSe2/WS2扭轉角分別為20度（d）與60度（e）時候的反射光譜數據。

 

通過測量WSe2/WS2超晶格器件的電阻，作者發現當填充因子是0.5（半填充）或者1（完全填充）時，電阻變化最大（見圖2c），該結果表明該器件在半填充與完全填充的時候具有絕緣態。


圖2. a: 溫度1.65K，WSe2/WS2超晶格反射光譜隨載流子濃度調控變化圖。b: 反射光譜強度與填充因子的關係圖。c: 不同溫度下，器件電阻與填充因子曲線(內置圖，電阻隨溫度變化圖）。


圖3. a: 溫度1.65K，WSe2/WS2超晶格圓偏振反射光譜隨磁場變化。b: 不同填充因子情況下反射光譜塞曼分裂結果。c-d: g因子隨溫度變化結果。


在半填充狀態下，左旋圓偏振與右旋圓偏振測量的WSe2/WS2超晶格反射光譜在磁場下具有不同峰位（圖3a）。該峰位差即是反應了磁場引入的塞曼分裂現象。通過分析g因子隨溫度變化的結果，確認溫度高於4K時，WSe2/WS2超晶格的磁化率與溫度關係符合居裡-韋斯定律（Curie–Weiss law）。對以上磁化率與溫度結果的進一步分析可以證實在WSe2/WS2超晶格中Hubbard模型完全適用。


文章中，作者使用了德國attocube公司的attoDRY2100低溫恆溫器來實現器件在極低溫度1.65K下通過電場與磁場調控的低溫光學實驗。該工作成功地表明莫爾超晶格是很好的研究強關聯物理並適用Hubbard模型的平臺。


圖4：低振動無液氦磁體與恆溫器—attoDRY系列，超低振動是提供高解析度與長時間穩定光譜的關鍵因素。

 

attoDRY2100+CFM I主要技術特點：

+ 應用範圍廣泛:  PL/EL/ Raman等光譜測量

+ 變溫範圍：1.5K - 300K

+ 空間解析度：< 1 μm

+ 無液氦閉環恆溫器

+ 工作磁場範圍：0...9T (12T, 9T-3T，9T-1T-1T矢量磁體可選)

+ 低溫消色差物鏡NA=0.82

+ 精細定位範圍： 5mm X 5mm X 5mm @4K

+ 精細掃描範圍：30 μm X 30 μm @4K

+ 可進行電學測量，配備標準chip carrier

+ 可升級到AFM/MFM、PFM、ct-AFM、KPFM、SHPM等功能

 

參考文獻：

[1]. Yanhao Tang et al, Simulation of Hubbard model physics in WSe2/WS2 moiré superlattices, Nature, 579, 353–358(2020)


相關焦點

  • 科學網—蜂窩晶格量子磁體晶格效應研究獲進展
    北京高壓科學研究中心
  • 人工超晶格中的小磁針
    2017年，加州大學伯克利分校XiangZhang教授與華盛頓大學Xiaodong Xu教授兩個研究組分別在二維範德瓦爾斯晶體Cr2Ge2Te6與CrI3中發現了鐵磁性的存在。鐵磁材料被廣泛地用於存儲器件，如計算機的硬碟等。在二維材料中實現鐵磁性，將能夠極大地減小器件的尺寸，對開發新型超緊湊型磁存儲、自旋電子器件等具有重要意義。
  • 武漢大學付磊Matter綜述:二維莫爾超晶格——青取於藍而勝於藍
    對於同質結構來說，轉動到不同的角度，莫爾超晶格的周期性會發生相應變化，其電子結構和能帶結構也會發生改變。對於異質結構來說，除了扭轉角度，層間的晶格失配度也會影響其結構和性質。1.新奇的性質石墨烯及其異質結構石墨烯是研究新興電子和光電性質的良好平臺，調節層間的旋轉角度會帶來一些新的性質。
  • HgCdTe雪崩光電二極體的研究進展
    本文重點闡述了雪崩光電二極體的基本原理、以及HgCdTe雪崩光電二極體材料和器件的研究，結合應用方向對其研究進展進行了綜述性介紹。隨著反向偏置電壓趨於反向擊穿電壓，在pn結的耗盡區形成了強電場，在強電場的作用下，獲得很高的能量光生載流子，與晶格發生碰撞，將晶格中的原子發生電離產生新的電子-空穴對，新的電子-空穴對在強電場作用下獲得很高的能量形成新的碰撞電離過程，如此重複下去形成顯著的雪崩效應，在此過程中APD的載流子數目增加迅速，入射的光信號不斷被放大成電信號，最終向讀出電路輸出較強的電信號。
  • HgCdTe雪崩光電二極體的研究進展
    本文重點闡述了雪崩光電二極體的基本原理、以及HgCdTe雪崩光電二極體材料和器件的研究，結合應用方向對其研究進展進行了綜述性介紹。隨著反向偏置電壓趨於反向擊穿電壓，在pn結的耗盡區形成了強電場，在強電場的作用下，獲得很高的能量光生載流子，與晶格發生碰撞，將晶格中的原子發生電離產生新的電子-空穴對，新的電子-空穴對在強電場作用下獲得很高的能量形成新的碰撞電離過程，如此重複下去形成顯著的雪崩效應，在此過程中APD的載流子數目增加迅速，入射的光信號不斷被放大成電信號，最終向讀出電路輸出較強的電信號。
  • Nature Materials:拓撲半金屬光電探測器
    近日，來自天津大學、耶魯大學、卡耐基梅隆大學等的研究人員，在 Nature Materials 上發表了關於半金屬材料高性能光電探測的「Perspective」型文章，指出半金屬材料在低能、高速光電探測中具有獨特優勢，但也存在具有較高暗電流噪聲的缺陷。作者展望了利用石墨烯等半金屬拓撲材料解決這一問題的前景，總結了近期的相關進展，也討論了未來的機遇和挑戰。
  • 【納米】碘化鉛超晶格:通過電子轉移實現高導電增益及寬光譜光電響應
    超晶格是由厚度在幾到幾十納米左右的兩種材料交替層層堆疊形成的周期結構，可以充分體現兩種材料的性能「雜交」優勢，為改造石墨烯、二硫化鉬
  • GeTe薄膜的性質、應用及其紅外探測研究進展
    應用最為廣泛的是熱電領域，熱電材料是利用物質中載流子和晶格振動間的相互作用，將電能和熱能直接進行轉換的功能材料，其原理如圖2(a)所示。這一特性可用於製備自旋器件，從而引起了人們對GeTe鐵電特性的研究。Fukuma等人，2001年通過往GeTe中摻入磁性離子，發現不僅薄膜的光學和電學特性會隨著相變表現出較大的差異，其磁性也隨著相變而改變。Chen等人2008年製得的GeMnTe稀磁半導體，將其居裡溫度提高到180℃。
  • 超晶格密碼:密鑰安全的守護者
    最近發表於《科學通報》的觀點文章介紹了該領域的研究進展。超晶格密碼是在我國物理學家原創性研究成果的基礎上發展起來的，基於半導體超晶格的內稟安全因子的硬體密碼技術，是一種全新的基礎性信息安全技術，其突出的應用價值在於能夠為長期困擾信息安全工程的密鑰管理問題提供一種新的解決途徑。現代密碼系統的安全性取決於密鑰的安全性。
  • Nature/Science盤點:三月材料領域重大進展
    加利福尼亞大學洛杉磯分校段鑲鋒教授、Yu Huang、湖南大學Lei Liao（共同通訊）等人道了一種電化學分子嵌入方法，用於一類新的穩定超晶格這一研究闡釋了在氮化物超導體上直接生長高質量半導體異質結的可能性，為整合具有宏觀量子效應的超導體和光電性能的半導體材料奠定了基礎。
  • 超低溫(<150℃)SCR脫硝技術研究進展
    我國已形成在180～420℃（包含低溫和中高溫）範圍內具有良好應用效果的SCR技術及其催化劑體系,但超低溫段（超低溫SCR脫硝通常位於"除塵-脫硫"工藝之後,具有煙氣組成簡單、能耗少、改造成本低等優點,吸引了研究人員的廣泛關注。
  • NREE：地球深部地幔彈性性質的實驗進展
    然而有一些礦物性質（如變價元素的自旋狀態、晶體缺陷的濃度等）的改變會影響礦物彈性性質的變化規律（圖2），例如人們一般認為鐵方鎂石的縱波波速會隨著溫度的升高而降低，但是在中部地幔壓力條件下，鐵方鎂石中的鐵如果發生了自旋狀態的轉變，那麼理論上縱波波速會隨著溫度的升高而升高，這就顛覆了鐵方鎂石的彈性性質隨溫度的變化規律。
  • 基礎研究|我區新型磁相變材料研究取得新進展
    and Eu2-xYbxIn alloys）的最新科研成果，該研究在新型磁相變材料方面取得重要研究進展。該研究依託內蒙古自治區功能材料物理與化學重點實驗室，得到國家自然科學基金外國青年學者研究基金項目（51850410514）和地區科學基金項目（51961033）的資助。創造新材料並理解新材料結構與性能之間的關聯，可以極大促進未來技術的發展。
  • 半導體所等在各向異性二維材料物性研究方面取得系列進展
    最近，中國科學院半導體研究所半導體超晶格國家重點實驗室研究員譚平恆研究組在各向異性二維材料的物性研究方面取得了系列進展。研究組和南加州大學教授汪涵等合作，通過拉曼光譜和光致發光光譜表徵了平面內各向異性的二維材料ReSe2。
  • 綜述:感磁微生物研究領域的最新進展
    在漫長的演化中，許多生物擁有了感應地磁場，並利用地磁場進行定向和導航的能力。然而，關於生物感磁行為的起源和演化，我們還知之甚少。 趨磁細菌起源於中太古代，以之為代表的感磁微生物很可能是地球上最早出現的感磁生物。趨磁細菌可以合成納米級、鏈狀排列的鐵磁性顆粒（稱為磁小體），磁小體作為「感磁器官」，使該類微生物具有在地磁場中定向運動的能力。
  • 量子計算和量子模擬研究獲進展
    北京時間11月19日，中國科學技術大學潘建偉、苑震生等與德國海德堡大學、義大利特倫託（Trento）大學的合作者在超冷原子量子計算和模擬研究中取得重要突破：他們開發了一種專用的量子計算機——71個格點的超冷原子光
  • Nature Commun 華東理工大學光催化劑理性設計取得最新研究進展
    然而，基於理性指導的設計調控策略仍舊匱乏，特別是對於複雜的光催化體系而言更是如此。近日，華東理工大學化學與分子工程學院計算化學中心和工業催化研究所的王棟特聘副研究員，在金屬負載型TiO2光催化劑理性設計方面取得最新研究進展，研究成果以「Function-oriented design of robust metal cocatalyst for photocatalytic hydrogen evolution on metal/titania composites」為題，發表在
  • 鐵磁絕緣體中磁子輸運性質的全電學方法研究獲進展
    在YIG和Pt界面上，自旋和磁子的轉換效率正比於YIG中平衡態磁子的數目，對於理想界面和二次方的磁子譜分布，其探測端電壓和溫度的5/2次方成正比。通過擬合探測端電壓與YIG厚度的依賴關係，可以得到YIG中磁子流的衰減長度為38 nm，這點與其它研究組報導的有關YIG中自旋塞貝克效應的實驗結果相接近【S. M. Rezende et al., Phys. Rev.
  • Nature、Science! mK極低溫納米精度位移臺在二維材料、石墨烯等...
    近日，中國與美國的研究團隊合作，在二維磁性材料雙層三碘化鉻中觀測到源於層間反鐵磁結構的非互易二次諧波非線性光學響應，並揭示了三碘化鉻中層間反鐵磁耦合與範德瓦爾斯堆疊結構的關聯。關鍵詞：石墨烯 超晶格 高溫超導
  • AFM: 同位素強化雜化鈣鈦礦的晶格穩定性
    在以往的研究中，壓力已經用於多種功能材料的研究，已在材料合成、表徵、性能優化中扮演了重要角色。有機-無機雜化金屬滷化鈣鈦礦是光電領域重要的活性材料，掌握其全面的結構-物性關係、進而提高器件的功能表現一直是相關領域孜孜追求的目標之一。