雙極性朗道能級水平和單層WSe2中的強選擇性載體作用

引言

二維過渡金屬二硫族化物材料因其豐富的元素組成及特別的電子結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出獨特的物理、化學(xué)性質(zhì)，在光電子器件、催化、能源轉(zhuǎn)換與存儲等眾多領(lǐng)域都有著巨大的應(yīng)用前景。利用該類二維邊界效應(yīng)，調(diào)節(jié)相應(yīng)晶體結(jié)構(gòu)及元素組成，可以實現(xiàn)對過渡金屬硫?qū)倩衔镫娮咏Y(jié)構(gòu)、光、熱、磁的特性的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)材料在各領(lǐng)域應(yīng)用的功能性的優(yōu)化。

成果簡介

近日，Columbia University的Cory R. Dean教授（通訊作者）的團隊在Nat. Mater.發(fā)表了題為Ambipolar Landau levels and strong band-selective carrier interactions in monolayer WSe2的文章，他們使用單電子晶體管來執(zhí)行WSe2中的朗道能級光譜學(xué)，并提供單層過渡金屬二硫族化合物的電子和空穴的電子結(jié)構(gòu)圖。同時他們發(fā)現(xiàn)朗道能級在兩個頻帶之間差異顯著并遵循由強塞曼效應(yīng)支配的價帶中的獨特序列。塞曼在價帶中的分裂比回旋加速器的能量高出數(shù)倍，遠遠超過了單粒子模型的預(yù)測，這意味著異常強烈的多體相互作用并表明WSe2可以作為新的相關(guān)電子器件的“候選人”。

圖文導(dǎo)讀

圖1：量子霍爾體系中的WSe2

a: WSe2中最低能帶的動量空間插圖；

b: WSe2中的朗道能級在沒有多體相互作用的情況下。

圖2：探測方案和雙極朗道能級分散

a-b: 實驗裝置圖；

c:逆壓縮率dμ/ dn與電荷密度和磁場的關(guān)系。

圖3：朗道能級的極化

a:價帶中朗道能級結(jié)構(gòu)的說明；

b:化學(xué)勢和朗道能級間能隙的提取。

圖4：價帶中與密度相關(guān)的朗道能級能隙

a:朗道能級上間隙大小的放大圖；

b:化學(xué)勢；

c:價帶中的朗道能級間隙關(guān)系。

圖5：提取參數(shù)和交互作用

a: EZ/EN用于VB和CB中的可訪問密度；

b-c:有效載體質(zhì)量和Landég因子；

d-e:單粒子模型和存在相互作用的情況下塞曼分裂的朗道能級。

小結(jié)

該團隊提取WSe2的朗道能級結(jié)構(gòu)證明了在高載流子密度下具有異常強的塞曼能量以及強大的多體增強的重要影響，增強了EZ/EN在價帶中高達2.6倍，因此在非常高的空穴密度下相互作用仍然很強，在零磁場下它們?nèi)钥赡鼙３窒嚓P(guān)性。結(jié)合高密度的狀態(tài)，這表明交換相互作用足夠強以滿足斯通納標(biāo)準(zhǔn)的可能性，這意味著在B = 0時具有潛在的流動鐵磁性。這種性質(zhì)最近僅在少數(shù)2D材料中觀察到，而且WSe2的情況下還可以是場效應(yīng)可調(diào)的。