Abstract
Molybdenum disulfide is a layered transition metal chalcogenide semiconductor. It has many applications in the fields of two-dimensional spintronics, valleytronics and optoelectronics. In this review, molybdenum disulfide is taken as a representative to systematically introduce the energy band structures of single layer, bilayer and twisted bilayer molybdenum disulfide, as well as the latest experimental progress of its realization and low-temperature electrical transport, such as superconductivity and strong correlation phenomenon. Finally, two-dimensional transition metal chalcogenide moiré superlattice’s challenges in optimizing contact and sample quality are analyzed and the future development of this field is also presented.
Highlights
molybdenum disulfide is taken as a representative to systematically introduce the energy band structures of single layer
2) (School of Physical Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China) 3) (Songshan Lake Materials Laboratory, Dongguan 523808, China)
Summary
图 1 单层二硫化钼 (a) 2H 相原子结构示意图 [36]; (b) 准粒子自洽格林函数方法计算得到的能带结构 [37]; (c) 荧光谱 [42]; (d) 朗 道扇形图 [58]; (e) 谷霍尔效应示意图. 引入了很强的自旋-轨道耦合 (SOC), 并打破了动 量空间 G-K 连线上的自旋简并, 使得价带和导带 的 K 谷都出现不同自旋电子的能量劈裂 [39−41], 由 于存在时间反演对称性, K 谷和–K 谷电子自旋劈 裂的方向相反, 被称为自旋-能谷锁定. 在实验上, 在单层二硫化 钼的荧光谱实验中看到的 1.85 eV 和 2 eV 附近很 强的荧光峰分别对应 K 谷不同自旋单态配对形成 的激子, 称为 A 和 B 激子[12,13,42], 如图 1(c) 所示. 2011 年 Kis 研究组 [50] 利用二氧化铪作为 顶栅介质, 测到单层二硫化钼的场效应迁移率能达 到 200 cm2·V–1·s–1. 绝大部分课题组在二氧化硅上 测到的迁移率为 0.1—50 cm2·V–1·s–1[52,53], 在高介 电绝缘衬底上迁移率可提升至 15—60 m2·V–1·s–1[20]. 在 1.7 K 的测量温 度下, 单层二硫化钼形成简并度为 2 的朗道能级, 对应于 K 谷和–K 谷电子的简并. 随着电子掺杂浓 度的提升, 朗道能级的斜率会有一个突变, 意味着 电子开始填充 K 谷和–K 谷自旋-轨道劈裂的上子 能带, 如图 1(d) 所示 [58]. 单层二硫化钼不 具有空间反演对称性但保留了时间反演对称性, 其 能带在 K 谷和–K 谷具有相反的贝利曲率. 在实验上, 双层二硫 化钼受栅压调控的谷霍尔效应证实了这一点 [72], 如图 2(c) 所示. 双层二硫化钼除了对称性的改变, 另一个重要 的特性是能带结构由直接跃迁转变为间接跃迁. 二 硫化钼 K 谷空穴的轨道同时有钼原子和硫原子的 贡献, 层间耦合作用强, 价带顶从 K 谷转变为 G 谷. 而 K 谷电子的轨道贡献主要来自中间的钼 原子, 层间耦合会比较弱, 普遍认为双层二硫化钼 的导带底仍然是 K 谷. 但是一部分理论计算结果 表明双层二硫化钼的导带底位于非对称的 Q 点 [18]. 2018 年人们通过探测光学激子验证了双层二硫化 钼的导带底位于 K 点而非 Q 点 [73]. 如图 2(b) 所示 是利用准粒子自洽格林函数方法计算得到的本征 (a) (d)
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