近日，中國科學院上海光學精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室與國科大杭州高等研究院和中國科學院空天信息研究院合作，在二維WSe2-Si的混合維度異質(zhì)結中瞬態(tài)電流太赫茲發(fā)射動力學以及谷自由度探測方面取得研究進展。相關研究成果以 “Ultrafast Drift Current Terahertz Emission Amplification in the Monolayer WSe2/Si Heterostructure”為題發(fā)表于The Journal of Physical Chemistry Letters上。

基于單層過渡金屬硫族化合物（TMDs）的范德瓦爾斯異質(zhì)結作為同時具有強的自旋動量鎖定效應與能帶可調(diào)等豐富的光電性質(zhì)的二維半導體,在片上集成光源、新型光電探測和谷電子學技術中具有重要的應用潛力。

本工作首次利用非接觸的超快太赫茲發(fā)射光譜技術探測了TMDs-Si異質(zhì)結中耗盡場放大的瞬態(tài)光電流，并利用其探測了其中單層二維材料放大的谷自由度并實現(xiàn)了全光操控。本工作為基于二維-三維混合維度異質(zhì)結的谷電子學探索提供了新思路。

在這項工作中，研究人員使用時間分辨太赫茲發(fā)射光譜系統(tǒng)，研究了單層WSe2-Si異質(zhì)結經(jīng)飛秒激光泵浦后的超快太赫茲發(fā)射動力學過程。通過對太赫茲發(fā)射機理的分析，發(fā)現(xiàn)并驗證了WSe2-Si異質(zhì)結中增強的耗盡電場加速載流子遷移，從而導致更大的瞬態(tài)電流與對應10倍增強的太赫茲輻射的作用過程。

同時，利用時間分辨太赫茲發(fā)射光譜系統(tǒng)可在無需特殊環(huán)境（低溫、磁場、應力）的室溫條件下探測到單層WSe2與WSe2-Si異質(zhì)結中泵浦光手性依賴的谷光電流，證實了二維-三維異質(zhì)結中自旋動量鎖定效應的存在，同時也發(fā)現(xiàn)單層WSe2材料的谷-動量鎖定的光電流手性在異質(zhì)結中得到了保留。由此利用谷光電流偏振依賴特性，也可以實現(xiàn)對半導體材料發(fā)射太赫茲的有效調(diào)控。

圖1.(a)太赫茲發(fā)射光譜系統(tǒng)示意圖；(b) 太赫茲脈沖時域波形；(c) 異質(zhì)結中耗盡電流輻射太赫茲示意圖。

圖2.(a) 光學選擇定則示意圖；(b) 單層WSe2與異質(zhì)結中的泵浦光手性依賴現(xiàn)象。

硅基二維-三維材料異質(zhì)結中實現(xiàn)太赫茲輻射放大的方法拓展了基于超快光學方法的太赫茲輻射源提升效率方式，對于新型片上可集成的太赫茲芯片研究具有重要的意義。此外，超快太赫茲發(fā)射光譜在室溫條件下對于TMDs材料中谷光電流的無接觸探測拓寬了探測自旋動量鎖定效應的方法路徑，為基于此類異質(zhì)結的谷電子學的研究提供了新的思路。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.2c03347