압력을 받는 TMD에 대한 스핀 밸리 물리학 탐색

전이 금속 디칼코게나이드는 외부 자극 하에서 회전 계곡 물리학의 측면을 조사하는 데 유용합니다. 에 한 연구가 발표되었습니다. 물리학의 새로운 저널 궤도 각운동량, 베리 곡률 및 유효 g-팩터에 대한 응력의 영향 탐색 시작 방법.

​​​​​​스테이: 변형 광물 칼코겐화물 단층의 스핀 밸리 물리학에 대한 첫 번째 원칙 통찰력. 이미지 크레디트: Andrey Keno / Shutterstock.com

결과는 K 밸리에서 압축 응력 하에서 전도대의 스핀 예측 값의 예상치 못한 감소를 보여주었으며, 이는 다크 엑시톤 쌍극자의 강도를 한 자릿수 이상 증가시켰습니다. 또한 응력하에서 직접 g-exciton factor는 인장응력이 증가함에 따라 g-factor의 절대값이 증가함을 보여주었다.

변형률의 1% 변화는 텅스텐(W) 및 몰리브덴(Mo)에 대해 밝은 g-여기자 인자를 약 0.3 및 0.2로 수정하고 어두운 g-여기자 인자에 대해 W 및 Mo에 대해 각각 약 0.5 및 0.3으로 수정했습니다. 광자기 실험을 수행하면 저온에서 응력을 받는 샘플에서 이러한 예측을 시각화하는 데 도움이 됩니다. 계산 결과 응력 효과가 g-인자 변동의 가능한 원인임을 시사했습니다.

더욱이, 상이한 전이 금속 칼코게나이드의 비교는 스핀-궤도 커플링(SOC)과 스핀 밸리 사이의 직접적인 관계를 보여주었다. 적용된 압력에서 자이로 밸리 기능의 감도는 SOC와 함께 증가했습니다. 따라서 단층 텅스텐 셀레나이드(WSe2)은 높은 SOC로 인해 회전 계곡 물리학에서 응력의 역할을 조사하기에 적합한 재료입니다.

전이금속의 디칼로게나이드

전이 금속의 디칼코게나이드는 전자, 광전자공학, x-전자공학, 광전자공학 및 밸리 전자공학에서 기본 및 응용 물리학의 조사를 허용하는 반 데르 발스 물질입니다. 육각형 결정 구조와 광학 밴드갭을 가진 단층 전이 금속 칼코겐화물은 첫 번째 브릴루앙 영역의 K 지점에 국부적인 전자와 정공이 있고 광학 스펙트럼에서 여기자의 서명이 있는 직접 반도체입니다.

결정 격자 반사 대칭의 부족과 중금속 원소의 존재는 평면 외 스핀 분극을 통한 K 계곡의 강력한 SOC 물리학을 특징으로 합니다. 따라서, 정공과 전자의 스핀 밸리 잠금은 K 또는 -K 밸리로부터 여기자 준입자의 선택적 여기를 허용합니다.

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이를 위해 자기 광학 분광법은 단층 전이 금속 칼코겐화물에서 정공, 전자 및 여기자의 스핀 밸리 물리학을 탐구하는 데 도움이 됩니다. Zeman 계곡의 분할은 외부 자기장 하에서 K 및 K 계곡의 용해가 융기되어 관찰됩니다.

여기자 스펙트럼이 g-인자 여기자를 측정하지만 동시에 정공 및 전자 기여도를 설명합니다. 전이 금속 이칼코겐에서 원자가 및 전도대의 개별 기여도를 추정하려면 추가 방출 피크가 필요합니다.

회전 계곡 물리학 외에도 전이 금속 디칼코게나이드는 응력 전자 장치에 적합한 재료입니다. 제어 가능한 변형의 적용은 수백 밀리전자볼트만큼 광자 여기자 방출 에너지를 조정할 수 있습니다. 또한 변형은 비방사 엑시톤 재결합을 방지하여 광발광 양자 수율을 1에 가깝게 유지합니다.

응력 전이 금속 디칼코게나이드의 스핀 계곡 물리학

본 연구는 가해진 압력 하에서 회전 계곡 물리학을 위해 육각형 결정 구조를 갖는 전이 금속 칼코게나이드를 조사하였다. 이전에는 측정값이 첫 번째 원칙 계산과 일치하는 원자가 및 g-밴드 계수를 나타내기 위해 다중 포논 매개 방출 피크가 사용되었습니다. 여기에서 첫 번째 원리 계산은 대역의 g-인자에 대한 Bloch의 기여도를 평가하는 데 도움이 되었습니다.

현재 작업에서 첫 번째 원리 계산은 궤도 및 회전 각 모멘트, 유효 g-인자 및 몰리브덴(MoS)의 베리 곡률을 평가하는 데 도움이 되었습니다.2), 몰리브덴 셀렌화물(MoSe2), 텔루르화 몰리브덴(MoTe2), 텅스텐 황화물(WS2) 및 텅스텐 셀레나이드(WSe2).

압축 응력 하에서 K-valley는 스핀 다운 전자와 함께 예상치 못한 전도대 스핀 혼합 체제를 보여주었습니다. K 밸리의 낮은 에너지 밴드에서 발생하는 직접 여기자(어두운 여기자)는 Zeeman 효과에서 두 가지 경향을 나타냅니다.

양의 응력값에 대한 g-factor의 절대값에서 증가하는 경향이 관찰됩니다. 한편, 부정적 감정값에 대한 요인의 절대값에서는 감소하는 경향을 보였다. 전이금속 칼코게나이드가 나타내는 다양한 경향 중 가장 큰 SOC 효과는 WSe의 생성을 초래했습니다.2 자이로 밸리의 물리학에서 응력의 영향을 연구하는 데 적합한 재료입니다.

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반면, 이전 문헌에는 자기 광학 및 변형 전이 금속 디칼코게나이드의 조합이 부족했습니다. 이 작업에서 자기 광학은 변형된 전이 금속 칼코겐화물의 g-인자 기능을 탐색하는 데 사용되었으며, 여기서 쌍극자 매트릭스 요소와 g-인자 방향의 결합은 어두운 여기자의 쌍극자 강도가 스핀 혼합을 기반으로 수정되었음을 보여줍니다.

결론

결론적으로, 전이금속 칼코겐화물은 이축 응력 하에서 스핀 밸리 물리학을 연구하기 위해 탐구됩니다. 육각형 결정 구조를 가진 여러 전이 금속 디칼코게나이드가 궤도 각 모멘트, 스핀 혼합, g-인자 및 베리 곡률을 분석하는 데 사용되었습니다. 결과는 K 계곡에서 압축 종속 스핀 혼합 기능을 보여주었습니다.

또한, 에너지 및 SOC Hamiltonian 밴드의 대칭 분석은 스핀 다운샘플링(S) K-valley에서 회전 전도대와 점진적 전도대 사이의 회전 및 플립 결합을 기반으로 합니다.

본 연구는 단층 전이금속 칼코게나이드의 스핀 밸리 특성에 대한 응력의 영향을 결정했습니다. 수많은 효과가 응력과 경쟁하는 이러한 시스템에 대한 통찰력 외에도 이 연구는 전이 금속 디칼코게나이드 및 이들의 이종 구조에서 근접 및 층간 여기자의 효과를 조사하는 데 도움이 됩니다.

참조

Junior, P.E.F., Zollner, K., Woźniak, T., Kurpas, M., Gmitra그리고 M, 파비안, c. (2022). 금속 이중층 칼코겐화물의 변형된 단일층의 스핀 계곡 물리학에 대한 첫 번째 원칙 통찰력. 물리학의 새로운 저널. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/ac7e21

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