CN111312593A - 一种二维过渡金属硫族化合物明、暗激子的调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明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,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。本发明可以通过二维铁磁金属材料Cr2C-二维单层过渡金属硫族化合物异质结的不同堆垛方式,实现圆偏振光对明、暗激子的调控和选择。
Description
技术领域
本发明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。
背景技术
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,本发明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。
发明内容
本发明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。
本发明采用的技术方案是:
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SiO2/Si基片放置于对准转移平台载物台上,通过对准转移台,将得到的二维铁磁金属薄层/PDMS/载玻片贴附到单层二维过渡金属硫族化合物上,挤压掉中间的空气,使二维铁磁金属薄层和单层二维过渡金属硫族化合物完全粘贴保持10~20min;将样品放置加热台上,在60~80℃下加热10~30min后,用镊子轻力撬下SiO2/Si基片,使异质结与PDMS/载玻片脱离而黏附在SiO2/Si基片上;通过对准转移平台粘附时的角度和位置控制,可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。
申请人发现,本发明所采用的二维铁磁金属Cr2C与单层二维过渡金属硫族化合物产生近邻磁矩耦合效应,其临近单层二维过渡金属硫族化合物K或K'能谷导带底的能带上的电子诱导了二维过渡金属硫族化合物K或K'能谷导带底的电子产生自旋翻转,从而改变了其K或K'能谷上导带底电子的自旋方向,实现了对明、暗激子的调控。
本发明的有益效果是:
1、本发明使用二维铁磁金属材料与二维单层过渡金属硫族化合物形成异质结构,可以充分发挥二维材料的柔性、原子级薄厚度特点,通过近邻磁矩耦合效应可以有效的调控明、暗激子,避免了传统通过外加磁场和通过表面等离激元进行激子调控所引起的复杂性、缺陷和对晶格的破坏,可应用于超薄微型化、柔性自旋电子以及量子信息存储等的开发研究。
2、本发明可以通过二维铁磁金属材料Cr2C-二维单层过渡金属硫族化合物异质结的不同堆垛方式,实现圆偏振光对明、暗激子的调控和选择。
3、本发明所采用的机械剥离法成本低、操作简便,化学气相沉积法具有可控性好、生长单层二维过渡金属硫族化合物薄膜均匀一致的优点。
附图说明
图1是可实现明、暗激子调控的两种典型二维铁磁金属材料-二维单层过渡金属硫族化合物异质结的堆垛示意图;
图2是可实现明、暗激子调控的两种典型二维铁磁金属材料-二维单层过渡金属硫族化合物异质结的堆垛实现方式示意图;
图3是考虑自旋轨道耦合时,可实现明、暗激子调控的两种典型二维铁磁金属材料-二维单层过渡金属硫族化合物堆垛异质结中二维单层过渡金属硫族化合物的自旋投影能带图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明,但是本发明所要保护的范围并不限于此。
实施例1
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)首先制备Cr2C-WS2异质结构中的单层WS2材料:
将管式炉反应腔室抽真空至10-2Torr,用200sccm氩气吹扫至恢复常压状态。
准备两块SiO2/Si基底A和B,将两块SiO2/Si基底用大量去离子水冲洗,放入丙酮溶液中超声清洗8min,取出基底,放入无水乙醇溶液中超声清洗8min,再次取出基底,放入去离子水中超声清洗8min,将清洗好的基底用惰性气体氮气吹干。
将SiO2/Si基底A放入热蒸发镀膜仪腔室内的载物架上,三氧化钨粉末放入热蒸发镀膜仪腔室内的坩埚内,使用抽真空系统将腔室抽真空至10-4Pa,加热坩埚中的三氧化钨粉末,使其分子从表面汽化逸出,形成蒸汽流,沉积到SiO2/Si基底A表面,形成5nm厚的均匀三氧化钨薄膜。
将已经蒸镀了5nm厚三氧化钨薄膜的SiO2/Si基底A放在石英舟中并置于管式炉反应腔室的加热区正中央,然后将SiO2/Si基底B倒扣在A基底上方,保持两者间距小于1mm。
称取200mg硫粉放入石英舟中,放置在反应腔室的上风口处,保持与钨源之间的距离为15cm。
通过管式炉反应腔室的加热线圈保持钨源的温度为900℃,硫源温度为200℃。保持通入的氩气气流在100sccm,生长时间为30min。生长完成之后关闭加热线圈并在氩气氛围中自然降温至室温,取出样品,得到单层WS2材料。
(2)然后制备Cr2C-WS2异质结构中的Cr2C材料:
使用镊子夹取10cm长度的思高透明胶带贴附在Cr2C晶体表面,轻轻压实,使胶带和Cr2C紧紧贴附后慢慢撕下。然后将胶带两端对折,使Cr2C薄片夹在胶带具有粘性一侧的中间,轻轻压实后慢慢撕下。如此反复剥离6次,胶带上就附有了Cr2C薄片。接着将其粘到已粘附有PDMS的干净载玻片上,轻微挤压5下后揭掉胶带,得到Cr2C薄片/PDMS/载玻片。
(3)最后将已生长有单层WS2的SiO2/Si基片放置于对准转移平台载物台上,通过对准转移平台缓慢降低Cr2C/PDMS/载玻片高度并控制其位置和角度,将其贴附到Cr2C/SiO2/Si基片上且挤压掉中间的空气,使Cr2C和WS2完全贴附保持15min后,将样品放置加热台上,在70℃下加热20min后,用镊子轻力撬下SiO2/Si基片,使异质结与PDMS/载玻片脱离而黏附在SiO2/Si基片上,得到Cr2C-WS2异质结构。
参照图1和图2,以边长为d的正三角形样品为例,材料1为二维单层过渡金属硫族化合物,材料2为二维铁磁金属。在用对准转移平台将材料2转移到材料1的过程中,两种材料0°对准堆叠后可实现堆垛1;材料2相对材料1逆时针旋转60°,对准堆叠后可实现堆垛2。
参照图3,通过两种典型堆垛的二维铁磁金属材料-二维单层过渡金属硫族化合物异质结构造堆垛1,二维单层过渡金属硫族化合物在K能谷导带底的电子和价带顶的空穴自旋相反,在左(右)旋圆偏振光激发下,复合产生明激子,而在K'能谷导带底的电子和价带顶的空穴自旋相同,在右(左)旋圆偏振光激发下,复合产生暗激子,从而实现圆偏振光对明、暗激子的调控和选择。通过两种典型堆垛的二维铁磁金属材料-二维单层过渡金属硫族化合物异质结构造堆垛2,二维单层过渡金属硫族化合物在K能谷导带底的电子和价带顶的空穴自旋相同,在左(右)旋圆偏振光激发下,复合产生暗激子,而在K'能谷导带底的电子和价带顶的空穴自旋相反,在右(左)旋圆偏振光激发下,复合产生明激子,从而实现圆偏振光对明、暗激子的调控和选择。
本实施例中所采用的钨源与硫源纯度均在99.9%以上,选用的SiO2/Si基底表面平整且氧化层厚度为285nm。
实施例2
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)首先制备Cr2C-MoS2异质结构中的MoS2单层材料:
将管式炉反应腔室抽真空至10-2Torr,用200sccm氩气吹扫至恢复常压状态。
准备两块SiO2/Si基底A和B,将两块SiO2/Si基底用大量去离子水冲洗,放入丙酮溶液中超声清洗8min,取出基底,放入无水乙醇溶液中超声清洗8min,再次取出基底,放入去离子水中超声清洗8min,将清洗好的基底用惰性气体氮气吹干。
将SiO2/Si基底A放入热蒸发镀膜仪腔室内的载物架上,三氧化钼粉末放入热蒸发镀膜仪腔室内的坩埚内,使用抽真空系统将腔室抽真空至10-4Pa,加热坩埚中的三氧化钼粉末,使其分子从表面汽化逸出,形成蒸汽流,沉积到SiO2/Si基底A表面,形成5nm厚的均匀三氧化钼薄膜。
将已经蒸镀了5nm厚三氧化钼薄膜的SiO2/Si基底A放在石英舟中并置于管式炉反应腔室的加热区正中央,然后将SiO2/Si基底B倒扣在A基底上方,保持两者间距小于1mm。
称取200mg硫粉放入石英舟中,放置在反应腔室的上风口处,保持与钼源之间的距离为15cm。
通过管式炉反应腔室的加热线圈保持钼源的温度为900℃,硫源温度为200℃。保持通入的氩气气流在100sccm,生长时间为30min,生长完成之后关闭加热线圈并在氩气氛围中自然降温至室温,取出样品,得到单层MoS2材料。
(2)然后制备Cr2C-MoS2异质结构中的Cr2C材料:
使用镊子夹取10cm长度的思高透明胶带贴附在Cr2C晶体表面,轻轻压实,使胶带和Cr2C紧紧贴附后慢慢撕下。然后将胶带两端对折,使Cr2C薄片夹在胶带具有粘性一侧的中间,轻轻压实后慢慢撕下。如此反复剥离6次,胶带上就附有了Cr2C薄片。接着将其粘到已粘附有PDMS的干净载玻片上,轻微挤压5下后揭掉胶带,得到Cr2C薄片/PDMS/载玻片。
(3)最后将已生长有单层MoS2的SiO2/Si基片放置于对准转移平台载物台上,通过对准转移平台缓慢降低Cr2C/PDMS/载玻片高度并控制其位置和角度,将其贴附到MoS2/SiO2/Si基片上且挤压掉中间的空气,使Cr2C和MoS2完全贴附保持15min后,将样品放置加热台上,在70℃下加热20min后,用镊子轻力撬下SiO2/Si基片,使异质结与PDMS/载玻片脱离而黏附在SiO2/Si基片上,得到Cr2C-MoS2异质结构。
参照图1和图2,以边长为d的正三角形样品为例,材料1为二维单层过渡金属硫族化合物,材料2为二维铁磁金属。在用对准转移平台将材料2转移到材料1的过程中,两种材料0°对准堆叠后可实现堆垛1;材料2相对材料1逆时针旋转60°,对准堆叠后可实现堆垛2。
参照图3,通过两种典型堆垛的二维铁磁金属材料-二维单层过渡金属硫族化合物异质结构造堆垛1,二维单层过渡金属硫族化合物在K能谷导带底的电子和价带顶的空穴自旋相反,在左(右)旋圆偏振光激发下,复合产生明激子,而在K'能谷导带底的电子和价带顶的空穴自旋相同,在右(左)旋圆偏振光激发下,复合产生暗激子,从而实现圆偏振光对明、暗激子的调控和选择。通过两种典型堆垛的二维铁磁金属材料-二维单层过渡金属硫族化合物异质结构造堆垛2,二维单层过渡金属硫族化合物在K能谷导带底的电子和价带顶的空穴自旋相同,在左(右)旋圆偏振光激发下,复合产生暗激子,而在K'能谷导带底的电子和价带顶的空穴自旋相反,在右(左)旋圆偏振光激发下,复合产生明激子,从而实现圆偏振光对明、暗激子的调控和选择。
本实施例中所采用的钼源与硫源纯度均在99.9%以上,选用的SiO2/Si基底表面平整且氧化层厚度为285nm。
实施例3
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)首先制备Cr2C-WSe2异质结构中的WSe2单层材料:
将管式炉反应腔室抽真空至10-2Torr,用200sccm氩气吹扫至恢复常压状态。
准备两块SiO2/Si基底A和B,将两块SiO2/Si基底用大量去离子水冲洗,放入丙酮溶液中超声清洗8min,取出基底,放入无水乙醇溶液中超声清洗8min,再次取出基底,放入去离子水中超声清洗8min,将清洗好的基底用惰性气体氮气吹干。
将SiO2/Si基底A放入热蒸发镀膜仪腔室内的载物架上,三氧化钨粉末放入热蒸发镀膜仪腔室内的坩埚内,使用抽真空系统将腔室抽真空至10-4Pa,加热坩埚中的三氧化钨粉末,使其分子从表面汽化逸出,形成蒸汽流,沉积到SiO2/Si基底A表面,形成5nm厚的均匀三氧化钨薄膜。
将已经蒸镀了5nm厚三氧化钨薄膜的SiO2/Si基底A放在石英舟中并置于管式炉反应腔室的加热区正中央,然后将SiO2/Si基底B倒扣在A基底上方,保持两者间距小于1mm。
称取200mg硒粉放入石英舟中,放置在反应腔室的上风口处,保持与钨源之间的距离为15cm。
通过管式炉反应腔室的加热线圈保持钨源的温度为900℃,硒源温度为200℃。保持通入的氩气气流在100sccm,生长时间为30min,生长完成之后关闭加热线圈并在氩气氛围中自然降温至室温,取出样品,得到单层WSe2材料。
(2)然后制备Cr2C-WSe2异质结构中的Cr2C材料:
使用镊子夹取13cm长度的思高透明胶带贴附在Cr2C晶体表面,轻轻压实,使胶带和WSe2紧紧贴附后慢慢撕下。然后将胶带两端对折,使Cr2C薄片夹在胶带具有粘性一侧的中间,轻轻压实后慢慢撕下。如此反复剥离6次,胶带上就附有了Cr2C薄片。接着将其粘到已粘附有PDMS的干净载玻片上,轻微挤压5下后揭掉胶带,得到Cr2C薄片/PDMS/载玻片。
(3)最后将已生长有单层WSe2的SiO2/Si基片放置于对准转移平台载物台上,通过对准转移平台缓慢降低Cr2C/PDMS/载玻片高度并控制其位置和角度,将其贴附到WSe2/SiO2/Si基片上且挤压掉中间的空气,使Cr2C和WSe2完全贴附保持15min后,将样品放置加热台上,在70℃下加热20min后,用镊子轻力撬下SiO2/Si基片,使异质结与PDMS/载玻片脱离而黏附在SiO2/Si基片上,得到Cr2C-WSe2异质结构。
参照图1和图2,以边长为d的正三角形样品为例,材料1为二维单层过渡金属硫族化合物,材料2为二维铁磁金属。在用对准转移平台将材料2转移到材料1的过程中,两种材料0°对准堆叠后可实现堆垛1;材料2相对材料1逆时针旋转60°,对准堆叠后可实现堆垛2。
参照图3,通过两种典型堆垛的二维铁磁金属材料-二维单层过渡金属硫族化合物异质结构造堆垛1,二维单层过渡金属硫族化合物在K能谷导带底的电子和价带顶的空穴自旋相反,在左(右)旋圆偏振光激发下,复合产生明激子,而在K'能谷导带底的电子和价带顶的空穴自旋相同,在右(左)旋圆偏振光激发下,复合产生暗激子,从而实现圆偏振光对明、暗激子的调控和选择。通过两种典型堆垛的二维铁磁金属材料-二维单层过渡金属硫族化合物异质结构造堆垛2,二维单层过渡金属硫族化合物在K能谷导带底的电子和价带顶的空穴自旋相同,在左(右)旋圆偏振光激发下,复合产生暗激子,而在K'能谷导带底的电子和价带顶的空穴自旋相反,在右(左)旋圆偏振光激发下,复合产生明激子,从而实现圆偏振光对明、暗激子的调控和选择。
本实施例中所采用的钨源与硒源纯度均在99.9%以上,选用的SiO2/Si基底表面平整且氧化层厚度为285nm。
实施例4
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)首先制备Cr2C-MoSe2异质结构中的MoSe2单层材料:
将管式炉反应腔室抽真空至10-2Torr,用200sccm氩气吹扫至恢复常压状态。
准备两块SiO2/Si基底A和B,将两块SiO2/Si基底用大量去离子水冲洗,放入丙酮溶液中超声清洗8min,取出基底,放入无水乙醇溶液中超声清洗8min,再次取出基底,放入去离子水中超声清洗8min,将清洗好的基底用惰性气体氮气吹干。
将SiO2/Si基底A放入热蒸发镀膜仪腔室内的载物架上,三氧化钼粉末放入热蒸发镀膜仪腔室内的坩埚内,使用抽真空系统将腔室抽真空至10-4Pa,加热坩埚中的三氧化钼粉末,使其分子从表面汽化逸出,形成蒸汽流,沉积到SiO2/Si基底A表面,形成5nm厚的均匀三氧化钼薄膜。
将已经蒸镀了5nm厚三氧化钼薄膜的SiO2/Si基底A放在石英舟中并置于管式炉反应腔室的加热区正中央,然后将SiO2/Si基底B倒扣在A基底上方,保持两者间距小于1mm。
称取200mg硒粉放入石英舟中,放置在反应腔室的上风口处,保持与钼源之间的距离为15cm。
通过管式炉反应腔室的加热线圈保持钼源的温度为900℃,硒源温度为200℃。保持通入的氩气气流在100sccm,生长时间为30min,生长完成之后关闭加热线圈并在氩气氛围中自然降温至室温,取出样品,得到单层MoSe2材料。
(2)然后制备Cr2C-MoSe2异质结构中的Cr2C材料:
使用镊子夹取13cm长度的思高透明胶带贴附在Cr2C晶体表面,轻轻压实,使胶带和MoSe2紧紧贴附后慢慢撕下。然后将胶带两端对折,使Cr2C薄片夹在胶带具有粘性一侧的中间,轻轻压实后慢慢撕下。如此反复剥离6次,胶带上就附有了Cr2C薄片。接着将其粘到已粘附有PDMS的干净载玻片上,轻微挤压5下后揭掉胶带,得到Cr2C薄片/PDMS/载玻片。
(3)最后将已生长有单层MoSe2的SiO2/Si基片放置于对准转移平台载物台上,通过对准转移平台缓慢降低Cr2C/PDMS/载玻片高度并控制其位置和角度,将其贴附到MoSe2/SiO2/Si基片上且挤压掉中间的空气,使Cr2C和MoSe2完全贴附保持15min后,将样品放置加热台上,在70℃下加热20min后,用镊子轻力撬下SiO2/Si基片,使异质结与PDMS/载玻片脱离而黏附在SiO2/Si基片上,得到Cr2C-MoSe2异质结构。
参照图1和图2,以边长为d的正三角形样品为例,材料1为二维单层过渡金属硫族化合物,材料2为二维铁磁金属。在用对准转移平台将材料2转移到材料1的过程中,两种材料0°对准堆叠后可实现堆垛1;材料2相对材料1逆时针旋转60°,对准堆叠后可实现堆垛2。
参照图3,通过两种典型堆垛的二维铁磁金属材料-二维单层过渡金属硫族化合物异质结构造堆垛1,二维单层过渡金属硫族化合物在K能谷导带底的电子和价带顶的空穴自旋相反,在左(右)旋圆偏振光激发下,复合产生明激子,而在K'能谷导带底的电子和价带顶的空穴自旋相同,在右(左)旋圆偏振光激发下,复合产生暗激子,从而实现圆偏振光对明、暗激子的调控和选择。通过两种典型堆垛的二维铁磁金属材料-二维单层过渡金属硫族化合物异质结构造堆垛2,二维单层过渡金属硫族化合物在K能谷导带底的电子和价带顶的空穴自旋相同,在左(右)旋圆偏振光激发下,复合产生暗激子,而在K'能谷导带底的电子和价带顶的空穴自旋相反,在右(左)旋圆偏振光激发下,复合产生明激子,从而实现圆偏振光对明、暗激子的调控和选择。
本实施例中所采用的钼源与硒源纯度均在99.9%以上,选用的SiO2/Si基底表面平整且氧化层厚度为285nm。
虽然本发明已经以较佳的实施例披露如上,然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围的情况下,都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰,或者修改为等同变化的等效实施例。因此,凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰,均属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (10)
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5~10min,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。
9.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(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。
10.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(3)具体是:将已生长有单层二维过渡金属硫族化合物的SiO2/Si基片放置于对准转移平台载物台上,通过对准转移台,将得到的二维铁磁金属薄层/PDMS/载玻片贴附到单层二维过渡金属硫族化合物上,挤压掉中间的空气,使二维铁磁金属薄层和单层二维过渡金属硫族化合物完全粘贴保持10~20min;将样品放置加热台上,在60~80℃下加热10~30min后,用镊子轻力撬下SiO2/Si基片,使异质结与PDMS/载玻片脱离而黏附在SiO2/Si基片上;通过对准转移平台粘附时的角度和位置控制,可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。
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