近日，厦门大学康俊勇教授团队采用铁电栅控方法，首次实现了对单层和双层WS2的非易失性能谷调控，并在室温下获得了较高的谷极化率。这一研究将为室温谷电子器件的开发打下基础，研究成果发表于著名学术期刊ACS Nano。
能谷指的是材料能带中的极值点，是电子的一个新的自由度。基于对能谷属性的编码和探测，谷电子器件在信息存储、处理和传输领域有重要的应用前景。二硫化钨（WS2）具有较强的自旋-轨道耦合、较高的量子产率和较大的激子结合能，是研究能谷特性的理想载体。为了实现谷电子器件的广泛应用，一个关键的挑战是保持高的谷极化率，即将电子局域在动量空间中的一个能谷中。
为了实现半导体材料自旋-能谷特性的有效调控，研究团队已开展了一系列的探索，曾利用相变工程【ACS Nano, 2021, 15: 8244-8251】、等离子激元共振【ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13: 35097-35104】和宽禁带半导体界面耦合【Science China-Materials, 2022, DOI: 10.1007/s40843-022-2138-x；Physica Status Solidi-Rapid Research Letters, 2021, 2000493】等手段提升半导体的谷极化率和自旋能谷分裂。在诸多调控手段中，电操控能与现有的MOS技术结合，是一种方便直接的方法。根据理论预测，要有效地调控WS2的谷极化，需要一个极大的栅电场，这对于器件应用来说是不现实的。因此，用适中的栅压实现对谷特性的有效电控制是实际应用的关键步骤。
铁电栅控是一种有效调制二维半导体电学性质的方法。研究团队通过引入铁电PZT作为背栅极介质，利用其超强的表面极化场，可以实现对单层和双层 WS2中谷激子特性的有效电调控。当金属顶栅与WS2直接接触时，铁电栅调控作用主要由静电掺杂效应主导，调控效果较弱。通过将金属顶栅与WS2绝缘，发现主导调控机制转变为静态表面极化场、电子−声子耦合和表面态的动态俘获/释放的综合作用。实验观测到激子能量、光致发光强度和谷极化率都存在较强的栅电压依赖关系。在非共振激发条件下，单层和双层WS2在室温谷极化率分别可达33.3%和43.5%（15 V栅压）。由于铁电的非易失性，即使在去除栅极电压之后，调制效应仍然可以保持。
图 1 铁电栅控WS2器件结构示意图、PZT的表面极化场和WS2的能谷极化的栅电压依赖关系。
图 2 (a)单层（ML）和(b)双层（BL）WS2谷极化率的温度依赖关系；(c)不同调控手段下WS2的谷极化率（非共振激发条件）。
该工作表明，通过铁电栅控可以实现单层和双层WS2中谷激子特性的非易失性电操控，其出色的谷极化特性为材料走向实际应用提供了一种方便有效的方案。
相关研究成果以“Nonvolatile Electrical Valley Manipulation in WS2 by Ferroelectric Gating”为题在线发表在ACS Nano期刊上，论文第一作者为李煦副教授，通讯作者为吴雅苹教授、吴志明教授和李书平教授。东南大学李玲龙副研究员也参与了此项研究工作。
近年来，团队在新型半导体材料及异质结构的设计、生长、物性调控和器件应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
论文链接： https://doi.org/10.1021/acsnano.2c07469
（来源：厦大物理）