一种二维过渡金属硫族化合物明、暗激子的调控方法技术

本发明专利技术涉及一种基于二维单层过渡金属硫族化合物明、暗激子的调控方法，包括如下步骤：(1)采用化学气相沉积法在基底上生长二维单层过渡金属硫族化合物；(2)采用机械剥离法制备二维铁磁金属Cr

A method of controlling the bright and dark excitons of two-dimensional transition metal chalcogenides

【技术实现步骤摘要】
一种二维过渡金属硫族化合物明、暗激子的调控方法
本专利技术涉及一种基于二维单层过渡金属硫族化合物明、暗激子的调控方法。
技术介绍
单层过渡金属硫族化合物是一种具有强库仑相互作用的直接带隙二维半导体材料，弥补了零带隙石墨烯材料在应用上的不足。其直接带隙能带结构加上强自旋轨道耦合以及量子限制效应的增强和介电屏蔽效应的减弱，极大的增强了电子－空穴的库伦作用，使得单层过渡金属硫族化合物具有显著的激子效应，不仅为二维体系的激子基础物理研究提供了良好的平台，同时在现代电子器件和自旋、能谷电子学领域也展现出了强大的优势。二维过渡金属硫族化合物的光学性质受到动量空间中两个时间反演对称能谷K和K'上电子－空穴对(激子)的控制，由于自旋能谷锁定的存在，K和K'能谷间激子散射受到较强的抑制，能够更有效的耦合外加圆偏振光，实现更强的能谷极化以及光学检测。如果K和K'能谷上导带电子和价带空穴的自旋方向相反，那么这种明亮的激子可以有效的发光；反之，如果电子和空穴的自旋方向相同，则会强烈抑制它们的辐射复合，因此暗激子的寿命更长。但是能量较低的暗激子态的存在会导致温度降低时明显的发光强度淬灭，严重地限制了单层过渡金属硫族化合物的发光效率。因此通过实现暗激子的增亮或者调控明、暗激子的转变，来弥补由于暗激子态不能依赖于光激发产生的弱点成为目前研究过渡金属硫族化合物光学特性的重点。此外，明、暗激子在单层过渡金属硫族化合物的光学响应中起着重要的作用。单层过渡金属硫族化合物的光致发光强度、激子衰变率以及谷间散射等基本光学性质依赖于明、暗激子之间的相互作用，且它们之间的相互耦合在玻色爱因斯坦凝聚、光电器件和传感器等方面的应用也具有巨大的潜力。传统的外加磁场以及通过表面等离激元实现明、暗激子调控的方法，不可避免地会增加应用的复杂性和破坏晶格的空间对称性，引入缺陷。因此，本专利技术提出一种利用二维过渡金属硫族化合物与二维铁磁金属形成异质结构，通过二维铁磁金属的近邻磁矩耦合效，改变K或K'能谷上导带电子的自旋方向，打破K和K'能谷的等价性，实现圆偏振激发光对明、暗激子的选择性。这对于研究二维过渡金属硫族化合物的自旋分裂和激子特性等具有重要意义，且为未来实现基于明、暗激子的量子信息处理和存储提供了可能。此外，利用二维铁磁金属构造异质结构，可以充分保持和发挥二维材料原子级厚度和柔性的特性，在超薄微型化和柔性自旋电子器件中具有广阔的应用前景。中国专利CN110335819A公开了一种二维过渡金属硫族化合物能谷极化特性的调控方法，包括如下步骤：(1)采用化学气相沉积法在基底上生长二维单层过渡金属硫族化合物；(2)采用机械剥离法制备二维铁磁金属；(3)通过对准转移平台，将二维铁磁金属，对准转移到二维单层过渡金属硫族化合物上，形成二维单层过渡金属硫族化合物－二维铁磁金属异质结构；通过对准转移时的角度控制，实现二维单层过渡金属硫族化合物与二维铁磁金属之间不同的堆垛方式，以调控二维单层过渡金属硫族化合物的能谷极化特性。该专利的铁磁金属是采用MnB2或FeB2或CrB2，仅能实现调控二维单层过渡金属硫族化合物的能谷极化特性，无法实现对明、暗激子的调控。
技术实现思路
本专利技术提供了一种利用二维单层过渡金属硫族化合物与二维铁磁金属耦合形成的异质结构对明、暗激子调控的新方法，采用化学气相沉积法生长的二维单层过渡金属硫族化合物材料和机械剥离法产生的二维铁磁金属，利用近邻磁矩耦合效应，改变K或K'能谷上导带电子的自旋方向，实现对明、暗激子的调控。本专利技术采用的技术方案是：一种二维过渡金属硫族化合物明、暗激子的调控方法，包括如下步骤：(1)采用化学气相沉积法在基底上生长二维单层过渡金属硫族化合物；(2)采用机械剥离法制备二维铁磁金属Cr2C；(3)通过对准转移平台，将二维铁磁金属，对准转移到二维单层过渡金属硫族化合物上，形成二维单层过渡金属硫族化合物－二维铁磁金属异质结构；通过对准转移时的角度控制，制备得到不同堆垛方式的二维单层过渡金属硫族化合物－二维铁磁金属异质结构，以实现圆偏振光对二维单层过渡金属硫族化合物中明、暗激子的调控和选择。优选地，所述的过渡金属硫族化合物分子式为MX2，M＝Mo或W，X＝S或Se。优选地，所述的过渡金属硫族化合物为二硫化钨。优选地，步骤(1)具体是：使用三氧化钨与硫粉作为化学气相沉积反应源，将基底倒扣在置于反应室腔正中间存放三氧化钨的石英舟上，硫粉置于石英舟中放在反应腔室上风口处，控制反应温度和反应时间，在基底上生长沉积，形成二硫化钨薄膜。优选地，所述的基底为SiO2/Si基底。优选地，所述的基底采用如下方法制备：将SiO2/Si基底用大量去离子水冲洗，先后放入丙酮溶液、无水乙醇溶液和去离子水溶液中超声清洗5～10min，三次清洗完成取出基底，使用惰性气体吹干。优选地，所述的惰性气体为氮气。优选地，在步骤(3)对准转移时，二维铁磁金属相对于二维单层过渡金属硫族化合物0°对准堆叠后实现第一种堆垛方式，二维铁磁金属相对于二维单层过渡金属硫族化合物逆时针旋转60°对准堆叠后实现第二种堆垛方式。为了更好地生长出表面均匀一致，连续性好的二维单层过渡金属硫族化合物薄膜，以得到二维单层过渡金属硫族化合物－二维铁磁金属异质结构，优选地，步骤(1)具体是：(a)首先将SiO2/Si基底用去离子水进行清洗，然后在丙酮溶液中超声清洗5～10min，取出基底在放入无水乙醇溶液中超声清洗5～10min，再次取出基底放入去离子水中清洗5～10min，将清洗完成的SiO2/Si基底用氮气吹干；(b)将SiO2/Si基底和三氧化钨或三氧化钼靶材源材料分别放入热蒸发镀膜仪腔室内的载物架上和坩埚内，使用抽真空系统将腔室抽真空至10－4Pa，加热坩埚中的靶材源材料，使其分子从表面逸出形成蒸汽流沉积到SiO2/Si基底表面，形成1～5nm厚的原材料薄膜；(c)使用抽真空系统将管式反应炉抽真空至10－2Torr，并用200sccm的氩气吹扫至常压状态，将已经蒸镀了0.5～10nm厚的源材料薄膜/SiO2/Si基底放入石英舟中并置于管式炉反应腔室的加热区正中心，然后将生长二维材料用的SiO2/Si基底倒扣在此基底上方，保持两者间距小于1mm；(d)称取200mg硫粉或硒粉放入石英舟中并放置在反应腔室的上风口处，与(c)中石英舟之间的距离保持在10～20cm之间；(e)通过加热线圈使管式炉反应腔室中心区域的温度保持在600～950℃之间，硫或硒源的温度保持在150～300℃之间；保持氩气气流量在10～150sccm之间，生长时间为5～60min；生长完成之后，关闭加热线圈，在氩气环境中自然降温至室温，取出样品。优选地，步骤(2)具体是：使用思高透明胶带从铁磁金属晶体上剥离下二维铁磁金属，将胶带反复对粘5～8次，得到二维铁磁金属薄层；接着将其粘到已粘附有PDMS的干净载玻片上，轻微挤压3～5下后揭掉胶带。优选地，步骤(3)具体是：将已生长有单层二维过渡金属硫族化合物的S本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二维过渡金属硫族化合物明、暗激子的调控方法，其特征在于包括如下步骤：/n(1)采用化学气相沉积法在基底上生长二维单层过渡金属硫族化合物；/n(2)采用机械剥离法制备二维铁磁金属Cr

【技术特征摘要】
1.一种二维过渡金属硫族化合物明、暗激子的调控方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)采用化学气相沉积法在基底上生长二维单层过渡金属硫族化合物；
(2)采用机械剥离法制备二维铁磁金属Cr2C；
(3)通过对准转移平台，将二维铁磁金属，对准转移到二维单层过渡金属硫族化合物上，形成二维单层过渡金属硫族化合物－二维铁磁金属异质结构；通过对准转移时的角度控制，制备得到不同堆垛方式的二维单层过渡金属硫族化合物－二维铁磁金属异质结构，以实现圆偏振光对二维单层过渡金属硫族化合物中明、暗激子的调控和选择。


2.根据权利要求1所述的二维过渡金属硫族化合物明、暗激子的调控方法，其特征在于：所述的过渡金属硫族化合物分子式为MX2，M＝Mo或W，X＝S或Se。


3.根据权利要求2所述的二维过渡金属硫族化合物明、暗激子的调控方法，其特征在于：所述的过渡金属硫族化合物为二硫化钨。


4.根据权利要求3所述的二维过渡金属硫族化合物明、暗激子的调控方法，其特征在于：步骤(1)具体是：使用三氧化钨与硫粉作为化学气相沉积反应源，将基底倒扣在置于反应室腔正中间存放三氧化钨的石英舟上，硫粉置于石英舟中放在反应腔室上风口处，控制反应温度和反应时间，在基底上生长沉积，形成二硫化钨薄膜。


5.根据权利要求1所述的二维过渡金属硫族化合物明、暗激子的调控方法，其特征在于：所述的基底为SiO2/Si基底。


6.根据权利要求5所述的二维过渡金属硫族化合物明、暗激子的调控方法，其特征在于：所述的基底采用如下方法制备：将SiO2/Si基底用大量去离子水冲洗，先后放入丙酮溶液、无水乙醇溶液和去离子水溶液中超声清洗5～10min，三次清洗完成取出基底，使用惰性气体吹干。


7.根据权利要求1所述的二维过渡金属硫族化合物明、暗激子的调控方法，其特征在于：在步骤(3)对准转移时，二维铁磁金属相对于二维单层过渡金属硫族化合物0°对准堆叠后实现第一种堆垛方式，二维铁磁金属相对于二维单层过渡金属硫族化合物逆时针旋转60°对准堆叠后实现第二种堆垛方式。


8.根据权利要求1所述的二维过渡金属硫族化合物明、暗激子的调控方法，其特征在于：步骤(1)具体是：
(a)首先将SiO2/Si基底用去离子水进行清洗，然后在丙酮溶液中超声清洗5...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨伟煌，陈相硕，李华，王高峰，周昌杰，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33