1、,電子的第三自由度,電子的谷自由度贗自旋,報告人：紀(jì)昊亮,電荷自由度,傳統(tǒng)半導(dǎo)體微電子學(xué),自旋自由度,谷自由度,自旋電子學(xué),前言,人們通過調(diào)控電子的自由度實現(xiàn)信息的存儲和傳輸,新興的谷電子學(xué),2,3,谷自由度,谷：固體材料中能帶結(jié)構(gòu)的極值點(diǎn)，著重分析導(dǎo)帶的極小值點(diǎn) 利用谷自由度就是打開谷的簡并 與電子的自旋自由度類似，谷自由度可稱為贗自旋。,單層石墨烯由二維六方格子構(gòu)成，布里淵區(qū)費(fèi)米面上有兩個不等價的Dirac點(diǎn)，K1和K2。電子占據(jù)K1和K2谷的幾率相等，如何將不同谷自由度的電子分開從而得到谷極化電流是石墨烯谷電子學(xué)的首要問題,4,在傳統(tǒng)硅晶體管中，谷是個麻煩的東西，因為它降低了電子在沒有散

2、射情況（能量耗散）下的運(yùn)行速度，類似的，在有關(guān)基于量子信息的器件方面的研究中，谷被認(rèn)為是退相干的來源（導(dǎo)致了信息量子部分丟失），同時還能阻礙量子比特（量子力學(xué)中類似比特的單位）對存儲信息的維護(hù)。 借鑒自旋電子學(xué)中對電子自旋自由度的研究思路，可以利用谷自由度作為信息載體，調(diào)控谷自由度設(shè)計并實現(xiàn)相關(guān)功能器件即谷電子學(xué) 與傳統(tǒng)電子元件相比，利用電子的谷自由度進(jìn)行信息處理，具有信息不易丟失，處理速度快、能耗小、集成度高、傳輸距離遠(yuǎn)優(yōu)點(diǎn)。,谷自由度,5,谷電子材料分類,1.硅、金剛石和半金屬元素鉍 體相的布里淵區(qū)價帶低是由電子占據(jù)的橢球形的簡并的谷組成，平移對稱性破壞或者外加磁場都可以打破谷的簡并，由于

3、面內(nèi)和面外的電子有效質(zhì)量各向異性，從而產(chǎn)生不用速度的谷電流。 2.石墨烯，硅烯為代表的二維單原子層 與金剛石、硅等材料利用谷點(diǎn)不同方向的有效質(zhì)量產(chǎn)生極化電流的方式不同，維度的降低是二維層狀材料出現(xiàn)新的物理現(xiàn)象，產(chǎn)生谷電流的方式也更加豐富 3.過渡金屬硫化物單層 其單層結(jié)構(gòu)是直接帶隙半導(dǎo)體，直接帶間躍遷使得每個谷點(diǎn)上獲得額外的軌道磁距，動量守恒使得價帶和導(dǎo)帶之間的躍遷符合選擇定則。在旋光的激發(fā)下，可以獲得非平衡狀態(tài)下極化的谷電流,通過對布里淵區(qū)能夠附近布洛赫電子磁距的計算得知，每個谷攜帶著大小相等，方向相反的軌道磁距，其大小是自由電子磁距的30倍，與電子自旋受外磁場調(diào)控類似，谷的軌道磁距也可以利

4、用外磁場來操縱。谷自由度可有軌道磁化強(qiáng)度的信號來探測，這樣谷自由度與實驗可測量物理量軌道磁距聯(lián)系起來了。,6,電子有效質(zhì)量,準(zhǔn)經(jīng)典模型（外電磁場用經(jīng)典處理，晶格周期場用能帶論量子力學(xué)處理）下電子的速度,電子加速度,Fext代表作用在電子上的外電、磁場力,有效質(zhì)量概括了晶格內(nèi)部周期場的作用，可以簡單的由外場力決定電子的加速度,7,TMDC谷自由度調(diào)控-光學(xué)躍遷選擇定則,MoS：直接帶隙半導(dǎo)體，能隙1.86eV，位于可見波段 波矢群為Ch,必須在三重旋轉(zhuǎn)操作C和鏡面操作h下保持不變，兩個不變對稱操作可將Mo原子的d軌道分成三組,價帶頂和導(dǎo)帶底主要是由,分別貢獻(xiàn),8,價帶頂?shù)綄?dǎo)帶底的直接帶間躍遷矩陣

5、,成立的條件是等號右邊的系數(shù)為1，因此只有左旋光才能激發(fā)出對應(yīng)于該谷的電流,TMDC谷自由度調(diào)控-光學(xué)躍遷選擇定則,自旋軌道耦合會使價帶發(fā)生劈裂，由于對稱性，劈裂后的能帶分成自旋向上和自旋向下，而時間反演對稱性決定了不同谷中的劈裂必然相反。,9,半導(dǎo)體中的激子,吸收了一個光子后，一個電子從價帶被激發(fā)到導(dǎo)帶，并在價帶上留下一個空穴，電子和空穴形成的束縛態(tài)被稱作激子，它是一個類氫系統(tǒng)。激子作為一個整體在晶體運(yùn)動，激子不能存在于平衡條件下，具有一定的壽命，然后就會復(fù)合。激子可以捕獲一個電子或一個空穴，被稱為trion（帶電激子） 除了低能激子（A excitons）,還有一種高能量的谷激子結(jié)構(gòu)（B

6、exciton，空穴子價帶自旋劈裂的高能帶上),但B激子的壽命很短，它會很快的通過無輻射通道變?yōu)榈湍艿腁 激子結(jié)構(gòu)。,10,TMDC谷自由度調(diào)控-光學(xué)躍遷選擇定則,軌道自旋耦合對于劈裂的導(dǎo)帶有效質(zhì)量的影響使得MoX2的導(dǎo)帶發(fā)生了反轉(zhuǎn)。,11,TMDC谷自由度調(diào)控-光學(xué)躍遷選擇定則,12,自旋霍爾電流,能量為Wd的旋光可以激發(fā)K1谷產(chǎn)生自旋向下的電子和自旋向上的空穴對，足夠強(qiáng)的面內(nèi)電場可以拆散電子和空穴對，使得電子和空穴聚集在樣品的相反邊界，可獲得K1谷的自旋霍爾電流,13,實例：科學(xué)家首次實現(xiàn)電子谷自由度的電學(xué)調(diào)控,Electrical generation and control of th

7、e valley carriers in a monolayer transition metal dichalcogenide2016,利用磁性半導(dǎo)體 (Ga,Mn)As 作為鐵磁電極實現(xiàn)了對單層 TMDC 的高效自旋注入，在該異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，控制 (Ga,Mn)As 薄膜的磁化方向，便可以調(diào)節(jié)注入自旋的極化方向，從而在不同的能谷中產(chǎn)生極化的載流子。谷極化度可以通過電致發(fā)光的自旋極化度進(jìn)行檢測 加載正向偏壓后，(Ga,Mn)As 將空穴注入到WS中，電子濃度主要來源于WS中的S空位，在滿足光學(xué)躍遷選擇定則的情況下即發(fā)射光子。 WS大的價帶劈裂抑制了B激子的形成,14,自旋注入,鐵磁金屬（F）中的電流是自旋極化的，非磁性金屬中的電流不是自旋極化的。當(dāng)鐵磁金屬和非鐵磁金屬形成界面接觸的時候，穿過F/N界面的電流是自旋極化的,電場