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基于二维磁性半导体碘化铬(CrI3)的旋光性探测器

2021-12-16

 

二维磁性材料自2017年被发现以来,已成为物理学及相关领域的研究热点之一。单层二维磁性材料因具有原子级厚度,为研究极限厚度下光与物质相互作用和相关磁光电现象提供了平台。此外,二维磁性材料因具有层状结构,可与其他材料形成范德华接触,为构建种类丰富的高性能磁光电器件提供了可能,在下一代信息技术领域具有广阔的应用前景。

二维磁性半导体碘化铬(CrI3)具有独特而有趣的物理性质,例如:单层表现为铁磁性,而多层表现为反铁磁性,且其易磁化轴垂直于层面,因此可以通过控制CrI3的层数实现不同功能的磁光电器件。

最近,北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所、人工微结构和介观物理国家重点实验室戴伦教授课题组与中国人民大学季威教授等合作,制备了基于石墨烯-CrI3-石墨烯范德华异质结构的旋光性探测器(图1),并在不同的磁场和温度下,分别研究了单层和多层CrI3器件在不同手性(左旋、右旋)圆偏振光照下的光电流性质。在不同的CrI3磁化状态下,该探测器在左/右旋圆偏振光照下的光响应行为明显不同;反射磁圆二色性(reflective magnetic circular dichroism, RMCD)谱测量结果表明,磁化后的CrI3对左/右旋圆偏振光的吸收率有明显差异。因此,在磁场调控下,随着CrI3磁化状态发生改变,器件对两种手性圆偏振光的光响应偏振度(由两种手性光照下不同的光响应度决定)也发生变化(图2)。此外,在较高偏压下,单层和多层器件都出现了奇异的负光电流现象。研究团队通过仔细研究器件在光照下的隧穿电流性质,对该现象提出一种可能的解释。该研究揭示了CrI3磁性及其光电性质间的相互作用,为开发新型自旋光电器件提供了途径。

图1. 基于石墨烯-CrI3-石墨烯范德华异质结构的旋光性探测器。a.旋光性探测器结构示意图;b.单层CrI3旋光性探测器光学照片;c. 不同磁化状态的单层CrI3在左/右旋圆偏振光照下的光电流之差,其中红色和蓝色分别表示向上和向下磁化的CrI3。

图2. 器件对两种手性圆偏振光的光响应偏振度随磁场的变化。a.单层CrI3旋光性探测器的光响应偏振度随磁场的变化(插图:单层CrI3的RMCD谱,表明其具有铁磁性);b.多层CrI3旋光性探测器的光响应偏振度随磁场的变化(插图:多层CrI3的RMCD谱,表明其具有反铁磁性)。

2021年11月25日,相关研究成果以“基于二维磁性半导体碘化铬的旋光性探测器”(Light helicity detector based on 2D magnetic semiconductor CrI3)为题,在线发表于《自然·通讯》(Nature Communications);北京大学2018级博士研究生成星为第一作者,戴伦为通讯作者。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-27218-3



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