CN118156143A - 一种电场调控过渡金属硫化物自旋轨道耦合的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电场调控过渡金属硫化物自旋轨道耦合的方法，该方法包括：针对过渡金属硫化物半导体异质结的体系构造相应的原子模型，计算原子模型的无偏置电压时的能带，以及相应的原子轨道投影；计算原子模型的偏压下能带和相应原子轨道投影，提取带边信息；根据带边信息提取自旋轨道耦合信息；根据自旋轨道耦合信息，确定自旋轨道耦合变化最大的偏压范围；根据计算得到的偏压范围对异质结器件施加偏置电压，并测量该偏压范围的自旋轨道耦合信息，实现无磁场辅助的电场调控自旋轨道耦合。本发明的实现较为简便，成本低，调控效果好。
Description
技术领域
本发明属于半导体自旋电子学的技术领域，具体涉及一种电场调控过渡金属硫化物自旋轨道耦合的方法。
背景技术
自旋轨道耦合是自旋电子学的核心指标，因此，自旋轨道耦合的有效调控对自旋电子器件的设计和应用具有重要意义。实际材料体系中，自旋轨道耦合相互作用诱导具有不同自旋取向的能级发生劈裂，能级劈裂的差值称自旋轨道劈裂（spin-orbit splitting,SOS）。自旋轨道耦合劈裂的大小表征耦合强度的强弱。
过渡金属硫化物(MX2,M=Mo,W, X=S,Se,Te)凭借优异光电性能和强自旋轨道耦合在自旋电子学领域广受关注。由于过渡金属硫化物是非磁材料，传统调控自旋轨道耦合的技术手段，例如施加特斯拉量级的外加磁场，自旋轨道耦合的变化量十分微弱，且成本巨大；另一种相对经济的手段是在材料体系中引入磁性衬底，但这种手段无法实现自旋轨道耦合的进一步调控，应用十分有限。另一方面，由于材料体系本身具有较高的对称性，通过外加电场的手段产生的Rashba自旋轨道耦合与本征的自旋轨道耦合相比而言依旧十分微弱，效率低。此外，掺杂、应力、辐照等手段都曾被文献报道，但这些方案在实际应用中操作不便、效率不高，极大地限制了过渡金属硫化物在自旋电子器件的应用。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种电场调控过渡金属硫化物自旋轨道耦合的方法，通过构造异质结，提升传统外加电场调控自旋轨道耦合的效率；此外，电场可调控异质结的费米能级，诱导过渡金属硫化物之间实现电荷转移和自旋转移，最终实现过渡金属硫化物中高效的自旋轨道耦合调控。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一个方面，提供了一种电场调控过渡金属硫化物自旋轨道耦合的方法，适用于过渡金属硫化物半导体异质结，包括以下步骤：
针对过渡金属硫化物半导体异质结的体系构造相应的原子模型，计算原子模型的无偏置电压时的能带，以及相应的原子轨道投影；
计算原子模型施加偏置电压时的能带和相应原子轨道投影，提取带边信息；
根据带边信息提取自旋轨道耦合信息；
根据自旋轨道耦合信息，确定自旋轨道耦合变化最大的偏置电压范围；
根据计算得到的自旋轨道耦合变化最大的偏置电压范围对异质结器件施加偏置电压，并测量自旋轨道耦合变化最大的偏置电压范围的自旋轨道耦合信息。
作为优选的技术方案，能带和相应的原子轨道投影由如下步骤计算得到：
根据第一性原理计算能带结果，对波函数进行各原子轨道组分的投影，得到过渡金属的d轨道在异质结体系中的能量动量关系，包括dyz+dxz轨道，dz 2轨道，和dxy+dx 2 -y 2轨道。
作为优选的技术方案，所述提取带边信息，具体为：
在包含原子轨道投影的能带信息的基础上，提取能量在费米能级附近动量在高对称点的能级信息。
作为优选的技术方案，所述根据带边信息提取自旋轨道耦合信息，具体为：
根据自旋轨道耦合定义，从包含原子轨道投影的带边信息中，提取同种原子轨道不同自旋取向的能级劈裂数值，即自旋轨道耦合劈裂。
作为优选的技术方案，所述测量自旋轨道耦合变化最大的偏置电压范围的自旋轨道耦合信息，具体为：
通过测量圆偏振光致电流的方法表征自旋轨道耦合。
作为优选的技术方案，所述过渡金属硫化物半导体异质结包括衬底、电极、封装层以及过渡金属硫化物半导体异质结层；
所述衬底上固定设置有通过封装层封装的过渡金属硫化物半导体异质结层，其中，所述过渡金属硫化物半导体异质结层通过上下两层封装层进行封装；
所述电极分别设置在过渡金属硫化物半导体异质结层上的封装层以及衬底上。
作为优选的技术方案，所述过渡金属硫化物半导体异质结层采用MoS2/WS2异质结、MoSe2/WSe2或MoTe2/WTe2异质结。
作为优选的技术方案，所述过渡金属硫化物半导体异质结层通过干法转移得到。
作为优选的技术方案，所述封装层为h-BN。
作为优选的技术方案，所述衬底采用无光学测试干扰的绝缘体衬底。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
（1）本发明通过构造合适的过渡金属硫化物半导体异质结，提升了传统外加电场调控自旋轨道耦合的效率，可以实现无磁场辅助的电场调控SOS；
（2）本发明通过电场调控异质结的费米能级，诱导过渡金属硫化物之间实现电荷转移和自旋转移，最终实现过渡金属硫化物中高效的自旋轨道耦合调控；
（3）本发明的实现较为简便，成本低，调控效果好。
附图说明
图1是本发明实施例中的一种电场调控过渡金属硫化物自旋轨道耦合的方法的流程示意图。
图2为本发明实施例中的MoS2/WS2异质结的Mo原子投影能带示意图。
图3为本发明实施例中的MoS2/WS2异质结的W原子投影能带示意图。
图4为本发明实施例中的MoS2/WS2异质结在电压偏置下的带边示意图。
图5为本发明实施例中的MoS2/WS2异质结在电压偏置下的自旋轨道耦合劈裂结果示意图。
图6为本发明实施例中采用MoS2/WS2异质结的过渡金属硫化物半导体异质结器件的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例
如图1所示，本实施例提供了一种电场调控过渡金属硫化物自旋轨道耦合的方法，适用于过渡金属硫化物半导体异质结，包括MoS2/WS2异质结、MoSe2/WSe2或MoTe2/WTe2异质结等，包括以下步骤：
步骤S1：针对过渡金属硫化物半导体异质结的体系构造相应的原子模型，计算原子模型的无偏置电压（简称偏压）时的能带，以及相应的原子轨道投影；
进一步的，所述相应的原子轨道投影由如下步骤计算得到：
根据第一性原理计算的能带结果，对波函数进行各原子轨道组分的投影，得到过渡金属的d轨道在异质结体系中的能量动量关系，包括dyz+dxz轨道，dz 2轨道，和dxy+dx 2 -y 2轨道。
以MoS2/WS2异质结为例，Mo原子轨道投影示意图如图2所示，W原子轨道投影示意图如图3所示。
步骤S2：计算原子模型的偏压下能带和相应原子轨道投影，提取带边信息；
进一步的，所述提取带边信息，具体为：
在包含原子轨道投影的能带信息的基础上，提取能量在费米能级附近动量在高对称点的能级信息。
以MoS2/WS2异质结为例，其偏压下的带边信息示意图如图4所示，零点为费米能级，零点以上为导带，零点以下为价带，阴影表示异质结带隙。
步骤S3：根据带边信息提取自旋轨道耦合信息；
进一步的，所述根据带边信息提取自旋轨道耦合信息，具体为：
根据自旋轨道耦合定义，从包含原子轨道投影的带边信息中，提取同种原子轨道不同自旋取向的能级劈裂数值，即自旋轨道耦合劈裂。
以MoS2/WS2异质结为例，其偏压下自旋轨道耦合信息示意图如图5所示。
步骤S4：根据自旋轨道耦合信息，确定自旋轨道耦合变化最大的偏压范围。
步骤S5：根据计算得到的偏压范围对异质结器件施加偏置电压，并测量该偏压范围的自旋轨道耦合信息；
进一步的，所述测量该偏压范围的自旋轨道耦合信息，具体为：
采用光学方案，通过测量圆偏振光致电流的方法表征自旋轨道耦合。
更进一步的，本实施例中的所述过渡金属硫化物半导体异质结包括衬底、电极、封装层以及过渡金属硫化物半导体异质结层；其中，所述衬底采用无光学测试干扰的绝缘体衬底；所述封装层为h-BN；所述过渡金属硫化物半导体异质结层采用MoS2/WS2异质结、MoSe2/WSe2或MoTe2/WTe2异质结，通过干法转移得到。如图6所示为采用MoS2/WS2异质结的过渡金属硫化物半导体异质结器件。
所述衬底上固定设置有通过封装层封装的过渡金属硫化物半导体异质结层，其中，所述过渡金属硫化物半导体异质结层通过上下两层封装层进行封装。
所述电极分别设置在过渡金属硫化物半导体异质结层上的封装层以及衬底上。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电场调控过渡金属硫化物自旋轨道耦合的方法，适用于过渡金属硫化物半导体异质结，其特征在于，包括以下步骤：
针对过渡金属硫化物半导体异质结的体系构造相应的原子模型，计算原子模型的无偏置电压时的能带，以及相应的原子轨道投影；
计算原子模型施加偏置电压时的能带和相应原子轨道投影，提取带边信息；
根据带边信息提取自旋轨道耦合信息；
根据自旋轨道耦合信息，确定自旋轨道耦合变化最大的偏置电压范围；
根据计算得到的自旋轨道耦合变化最大的偏置电压范围对异质结器件施加偏置电压，并测量自旋轨道耦合变化最大的偏置电压范围的自旋轨道耦合信息。
2.根据权利要求1所述的一种电场调控过渡金属硫化物自旋轨道耦合的方法，其特征在于，能带和相应的原子轨道投影由如下步骤计算得到：
根据第一性原理计算能带结果，对波函数进行各原子轨道组分的投影，得到过渡金属的d轨道在异质结体系中的能量动量关系，包括dyz+dxz轨道，dz 2轨道，和dxy+dx 2 -y 2轨道。
3.根据权利要求1所述的一种电场调控过渡金属硫化物自旋轨道耦合的方法，其特征在于，所述提取带边信息，具体为：
在包含原子轨道投影的能带信息的基础上，提取能量在费米能级附近动量在高对称点的能级信息。
4.根据权利要求1所述的一种电场调控过渡金属硫化物自旋轨道耦合的方法，其特征在于，所述根据带边信息提取自旋轨道耦合信息，具体为：
根据自旋轨道耦合定义，从包含原子轨道投影的带边信息中，提取同种原子轨道不同自旋取向的能级劈裂数值，即自旋轨道耦合劈裂。
5.根据权利要求1所述的一种电场调控过渡金属硫化物自旋轨道耦合的方法，其特征在于，所述测量自旋轨道耦合变化最大的偏置电压范围的自旋轨道耦合信息，具体为：
通过测量圆偏振光致电流的方法表征自旋轨道耦合。
6.根据权利要求1所述的一种电场调控过渡金属硫化物自旋轨道耦合的方法，其特征在于，所述过渡金属硫化物半导体异质结包括衬底、电极、封装层以及过渡金属硫化物半导体异质结层；
所述衬底上固定设置有通过封装层封装的过渡金属硫化物半导体异质结层，其中，所述过渡金属硫化物半导体异质结层通过上下两层封装层进行封装；
所述电极分别设置在过渡金属硫化物半导体异质结层上的封装层以及衬底上。
7.根据权利要求6所述的一种电场调控过渡金属硫化物自旋轨道耦合的方法，其特征在于，所述过渡金属硫化物半导体异质结层采用MoS2/WS2异质结、MoSe2/WSe2或MoTe2/WTe2异质结。
8.根据权利要求7所述的一种电场调控过渡金属硫化物自旋轨道耦合的方法，其特征在于，所述过渡金属硫化物半导体异质结层通过干法转移得到。
9.根据权利要求6所述的一种电场调控过渡金属硫化物自旋轨道耦合的方法，其特征在于，所述封装层为h-BN。
10.根据权利要求6所述的一种电场调控过渡金属硫化物自旋轨道耦合的方法，其特征在于，所述衬底采用无光学测试干扰的绝缘体衬底。
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