近日，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場激光物理國家重點(diǎn)實驗室與國科大杭州高等研究院和中國科學(xué)院空天信息研究院合作，在二維WSe2-Si的混合維度異質(zhì)結(jié)中瞬態(tài)電流太赫茲發(fā)射動力學(xué)以及谷自由度探測方面取得研究進(jìn)展。相關(guān)研究成果以 “Ultrafast Drift Current Terahertz Emission Amplification in the Monolayer WSe2/Si Heterostructure”為題發(fā)表于The Journal of Physical Chemistry Letters上。

基于單層過渡金屬硫族化合物（TMDs）的范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)作為同時具有強(qiáng)的自旋動量鎖定效應(yīng)與能帶可調(diào)等豐富的光電性質(zhì)的二維半導(dǎo)體,在片上集成光源、新型光電探測和谷電子學(xué)技術(shù)中具有重要的應(yīng)用潛力。

本工作首次利用非接觸的超快太赫茲發(fā)射光譜技術(shù)探測了TMDs-Si異質(zhì)結(jié)中耗盡場放大的瞬態(tài)光電流，并利用其探測了其中單層二維材料放大的谷自由度并實現(xiàn)了全光操控。本工作為基于二維-三維混合維度異質(zhì)結(jié)的谷電子學(xué)探索提供了新思路。

在這項工作中，研究人員使用時間分辨太赫茲發(fā)射光譜系統(tǒng)，研究了單層WSe2-Si異質(zhì)結(jié)經(jīng)飛秒激光泵浦后的超快太赫茲發(fā)射動力學(xué)過程。通過對太赫茲發(fā)射機(jī)理的分析，發(fā)現(xiàn)并驗證了WSe2-Si異質(zhì)結(jié)中增強(qiáng)的耗盡電場加速載流子遷移，從而導(dǎo)致更大的瞬態(tài)電流與對應(yīng)10倍增強(qiáng)的太赫茲輻射的作用過程。

同時，利用時間分辨太赫茲發(fā)射光譜系統(tǒng)可在無需特殊環(huán)境（低溫、磁場、應(yīng)力）的室溫條件下探測到單層WSe2與WSe2-Si異質(zhì)結(jié)中泵浦光手性依賴的谷光電流，證實了二維-三維異質(zhì)結(jié)中自旋動量鎖定效應(yīng)的存在，同時也發(fā)現(xiàn)單層WSe2材料的谷-動量鎖定的光電流手性在異質(zhì)結(jié)中得到了保留。由此利用谷光電流偏振依賴特性，也可以實現(xiàn)對半導(dǎo)體材料發(fā)射太赫茲的有效調(diào)控。

圖1.(a)太赫茲發(fā)射光譜系統(tǒng)示意圖；(b) 太赫茲脈沖時域波形；(c) 異質(zhì)結(jié)中耗盡電流輻射太赫茲示意圖。

圖2.(a) 光學(xué)選擇定則示意圖；(b) 單層WSe2與異質(zhì)結(jié)中的泵浦光手性依賴現(xiàn)象。

硅基二維-三維材料異質(zhì)結(jié)中實現(xiàn)太赫茲輻射放大的方法拓展了基于超快光學(xué)方法的太赫茲輻射源提升效率方式，對于新型片上可集成的太赫茲芯片研究具有重要的意義。此外，超快太赫茲發(fā)射光譜在室溫條件下對于TMDs材料中谷光電流的無接觸探測拓寬了探測自旋動量鎖定效應(yīng)的方法路徑，為基于此類異質(zhì)結(jié)的谷電子學(xué)的研究提供了新的思路。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.2c03347