單層二維MoS2稀磁半導體材料的合成及其量子器件的研究

《單層二維MoS2稀磁半導體材料的合成及其量子器件的研究》是依託中國科學技術大學，由向斌擔任項目負責人的聯合基金項目。

基本介紹

• 中文名：單層二維MoS2稀磁半導體材料的合成及其量子器件的研究
• 項目類別：聯合基金項目
• 項目負責人：向斌
• 依託單位：中國科學技術大學

中文摘要

基於單層二維MoS2的場效應電晶體載流子遷移率可以達到900 cm2 V−1 s−1，室溫情況下的開關比大於10^8。可是該類材料的本徵非磁性限制了其在量子器件中特別是二維柔性量子器件中的廣泛套用。特別需要指出的是關於實驗上合成二維層狀稀磁半導體材料的研究鮮有報導，而基於二維層狀稀磁半導體材料量子器件的相關報導則幾乎沒有。本項目申請人在單層二維層狀材料合成製備及器件加工方面，積累了豐富的經驗。本項目主要利用磁性原子(Co、Fe、Mn)前驅體，通過化學氣相沉積法，合成製備單層二維MoS2:(磁性原子)稀磁半導體材料。研究其磁學性質及磁輸運行為，探索其磁性機理。通過微納加工設計量子自旋注入電子器件，研究其自旋壽命、弛豫過程以及載流子濃度、電導率隨柵極電壓的變化規律，探索其自旋在電場調控下的動力學過程。為未來製備新型二維量子器件奠定相應的基礎，將在此研究方向上占領一席之地，取得研究的先機。

結題摘要

在計算機中，信息的加工和臨時存儲靠半導體積體電路進行，操作的是半導體中電子電荷自由度，而對其電子的自旋自由度並沒有得到廣泛的套用。操作半導體中的電子自旋和電子電荷兩個自由度來進行信息的加工處理和存儲，可提升現有器件的功能和開發新一代半導體自旋器件。目前，在傳統材料體系中，已經取得了系列的研究成果。但是國內外關於在新型二維層狀材料體系中的自旋電子器件的相關報導剛剛起步，特別需要指出的是關於室溫下二維層狀材料自旋電子器件的演示鮮有報導。本項目通過第一性原理計算，系統研究了摻鈷二硫化鉬材料的電子結構及磁性機理。提出了一個磁激子模型，解釋Co摻雜所引起的鐵磁有序結構，並且理論預言了其居里溫度約102 K，跟我們實驗上觀察到的摻鈷二硫化鉬居里溫度120 K非常接近。基於理論計算的指導，我們通過化學氣相沉積法，成功製備合成了摻鈷二硫化鉬單晶材料，針對其結構、化學組分及磁性的表征測量，進一步證實了鈷原子摻雜入二硫化鉬母體，並且證實了我們所製備的摻鈷二硫化鉬材料具有鐵磁有序結構。為進一步演示我們所製備的摻鈷二硫化鉬材料在量子器件方面的套用，我們將所製備的摻鈷二硫化鉬材料與自旋軌道耦合強烈的金屬Ta膜結合，構建CoMoS2/Ta范德華異質結器件，並系統研究了該器件的自旋霍爾磁阻效應隨樣品厚度的變化關係，揭示二維材料體系中的自旋霍爾效應的內在機理。為未來自旋器件的套用開發，提供了一個全新的思路。