近日，廈門大學康俊勇教授團隊采用鐵電柵控方法，首次實現了對單層和雙層WS2的非易失性能谷調控，并在室溫下獲得了較高的谷極化率。這一研究將為室溫谷電子器件的開發打下基礎，研究成果發表于著名學術期刊ACS Nano。
能谷指的是材料能帶中的極值點，是電子的一個新的自由度。基于對能谷屬性的編碼和探測，谷電子器件在信息存儲、處理和傳輸領域有重要的應用前景。二硫化鎢（WS2）具有較強的自旋-軌道耦合、較高的量子產率和較大的激子結合能，是研究能谷特性的理想載體。為了實現谷電子器件的廣泛應用，一個關鍵的挑戰是保持高的谷極化率，即將電子局域在動量空間中的一個能谷中。
為了實現半導體材料自旋-能谷特性的有效調控，研究團隊已開展了一系列的探索，曾利用相變工程【ACS Nano, 2021, 15: 8244-8251】、等離子激元共振【ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13: 35097-35104】和寬禁帶半導體界面耦合【Science China-Materials, 2022, DOI: 10.1007/s40843-022-2138-x；Physica Status Solidi-Rapid Research Letters, 2021, 2000493】等手段提升半導體的谷極化率和自旋能谷分裂。在諸多調控手段中，電操控能與現有的MOS技術結合，是一種方便直接的方法。根據理論預測，要有效地調控WS2的谷極化，需要一個極大的柵電場，這對于器件應用來說是不現實的。因此，用適中的柵壓實現對谷特性的有效電控制是實際應用的關鍵步驟。
鐵電柵控是一種有效調制二維半導體電學性質的方法。研究團隊通過引入鐵電PZT作為背柵極介質，利用其超強的表面極化場，可以實現對單層和雙層 WS2中谷激子特性的有效電調控。當金屬頂柵與WS2直接接觸時，鐵電柵調控作用主要由靜電摻雜效應主導，調控效果較弱。通過將金屬頂柵與WS2絕緣，發現主導調控機制轉變為靜態表面極化場、電子−聲子耦合和表面態的動態俘獲/釋放的綜合作用。實驗觀測到激子能量、光致發光強度和谷極化率都存在較強的柵電壓依賴關系。在非共振激發條件下，單層和雙層WS2在室溫谷極化率分別可達33.3%和43.5%（15 V柵壓）。由于鐵電的非易失性，即使在去除柵極電壓之后，調制效應仍然可以保持。
圖 1 鐵電柵控WS2器件結構示意圖、PZT的表面極化場和WS2的能谷極化的柵電壓依賴關系。
圖 2 (a)單層（ML）和(b)雙層（BL）WS2谷極化率的溫度依賴關系；(c)不同調控手段下WS2的谷極化率（非共振激發條件）。
該工作表明，通過鐵電柵控可以實現單層和雙層WS2中谷激子特性的非易失性電操控，其出色的谷極化特性為材料走向實際應用提供了一種方便有效的方案。
相關研究成果以“Nonvolatile Electrical Valley Manipulation in WS2 by Ferroelectric Gating”為題在線發表在ACS Nano期刊上，論文第一作者為李煦副教授，通訊作者為吳雅蘋教授、吳志明教授和李書平教授。東南大學李玲龍副研究員也參與了此項研究工作。
近年來，團隊在新型半導體材料及異質結構的設計、生長、物性調控和器件應用等方面取得了系列研究成果，部分代表性工作如下：
（1）X. Zhou, et al., Direct synthesis of moiré superlattice through chemical vapor deposition growth of monolayer WS2 on plasma-treated HOPG. Nano Research, 2022, 15: 8587–8594
（2）X. Zeng, et al., Modulating the intralayer and interlayer valley excitons in WS2 through interaction with AlGaN. Science China-Materials, 2022, doi: 10.1007/s40843-40022-42138-x
（3）H. Liu., et al., Enhanced Valley Splitting in Monolayer WSe2 by Phase Engineering. ACS Nano, 2021, 15: 8244-8251
（4）X. Li, et al., Review of Anisotropic 2D Materials: Controlled Growth, Optical Anisotropy Modulation, and Photonic Applications. Laser & Photonics Reviews, 2021, 15: 2100322
（5）G. Liu, et al., Enhancement of Room-Temperature Photoluminescence and Valley Polarization of Monolayer and Bilayer WS2 via Chiral Plasmonic Coupling. ACS Applied Materials & Interfaces, 2021, 13: 35097-35104
（6）Q. He, et al., Deeply Exploring Anisotropic Evolution Towards Large-Scale Growth of Monolayer ReS2. ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12: 2862-2870
（7）J. Hou, et al., Reduced turn-on voltage and boosted mobility in monolayer WS2 transistors by mild Ar+ plasma treatment. ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12: 19635-19642
（8）J. Zhou, et al., Strain manipulation of the polarized optical response in two-dimensional GaSe layers. Nanoscale, 2020, 12: 4069-4076
論文鏈接： https://doi.org/10.1021/acsnano.2c07469
（來源：廈大物理）