人们在一些反演对称破缺的晶体（例如过渡金属硫属化合物，transition metal dichalcogenide，TMD）中，发现电子除了电荷还具有谷自由度。谷即晶体能带结构中带边的极值点（导带底或价带顶）。由于单层TMD（MoS2、WSe2等）在晶体结构上存在空间反演对称性破缺，所以在第一布里渊区中存在能量简并但不同的K+和K-谷，两者具有相反的贝里曲率（Berry Curvature）。一些TMD中的自旋轨道耦合作用较强，可导致能谷与自旋锁定在一起。贝里曲率可视为一种赝磁场，在二维TMD的平面内施加电场，不同的谷-自旋（K+和K-）就会空间分离，在器件的边界处分别积累，进而导致谷霍尔效应（valley Hall effect）。

有研究表明，尽管单层TMD中的谷霍尔信号很弱，但在重掺杂的单层WSe2或者应变的单层MoS2中，可以采用克尔旋转显微术探测他们的谷信号。然而，对于转角双层TMD这一新的强关联体系，有诸如平带、电子-电子相互作用等新的物理现象。而且由于转角对体系对称性的破坏，在转角双层TMD的莫尔超晶格中探测谷自由度成为值得探索的科学问题。

近日，中国科学院金属研究所赵斯文助理研究员、山西大学张桐耀讲师、湖南大学刘松教授等人成功采用CVD生长制备了40度转角双层WS2晶体管器件。他们首次在该莫尔超晶格体系中观测到了谷霍尔效应导致的K+和K-的谷-自旋信号在空间上的积累，并且该效应可以通过栅压进一步调控。该项研究为未来TMD莫尔超晶格体系的能谷极化和调控研究奠定了基础。

该文章以题为“Gate tunable spatial accumulation of valley-spin in chemical vapor deposition grown 40-degree-twisted bilayer WS2”发表在Journal of Semiconductors上。

图1. (a) 转角双层WS2的晶体结构和单层WS2能带结构示意图。(b) 转角双层WS2/h-BN异质结器件示意图。(c) 在SiO2/Si衬底上CVD生长的40度转角双层WS2晶体管光学显微镜照片。(d) 转角双层WS2/h-BN晶体管光学显微镜照片。(e) 最终图形化后的器件光学显微镜照片。

图2. 转角双层WS2晶体管中克尔旋转角在 (a) Vg = -80 V、(b) Vg= 0 V 和 (c) Vg= 20 V下的空间分辨图。

文章信息：

Gate tunable spatial accumulation of valley-spin in chemical vapor deposition grown 40°-twisted bilayer WS2

Siwen Zhao, Gonglei Shao, Zheng Vitto Han, Song Liu, Tongyao Zhang

J. Semicond. 2023, 44(1): 012001 doi: 10.1088/1674-4926/44/1/012001

Full Text: http://www.jos.ac.cn/en/article/doi/10.1088/1674-4926/44/1/012001

来源：半导体学报