双极性朗道能级水平和单层WSe2中的强选择性载体作用

引言

二维过渡金属二硫族化物材料因其丰富的元素组成及特别的电子结构，展现出独特的物理、化学性质，在光电子器件、催化、能源转换与存储等众多领域都有着巨大的应用前景。利用该类二维边界效应，调节相应晶体结构及元素组成，可以实现对过渡金属硫属化合物电子结构、光、热、磁的特性的调节，从而实现材料在各领域应用的功能性的优化。

成果简介

近日，Columbia University的Cory R. Dean教授（通讯作者）的团队在Nat. Mater.发表了题为Ambipolar Landau levels and strong band-selective carrier interactions in monolayer WSe2的文章，他们使用单电子晶体管来执行WSe2中的朗道能级光谱学，并提供单层过渡金属二硫族化合物的电子和空穴的电子结构图。同时他们发现朗道能级在两个频带之间差异显著并遵循由强塞曼效应支配的价带中的独特序列。塞曼在价带中的分裂比回旋加速器的能量高出数倍，远远超过了单粒子模型的预测，这意味着异常强烈的多体相互作用并表明WSe2可以作为新的相关电子器件的“候选人”。

图文导读

图1：量子霍尔体系中的WSe2

a: WSe2中最低能带的动量空间插图；

b: WSe2中的朗道能级在没有多体相互作用的情况下。

图2：探测方案和双极朗道能级分散

a-b: 实验装置图；

c:逆压缩率dμ/ dn与电荷密度和磁场的关系。

图3：朗道能级的极化

a:价带中朗道能级结构的说明；

b:化学势和朗道能级间能隙的提取。

图4：价带中与密度相关的朗道能级能隙

a:朗道能级上间隙大小的放大图；

b:化学势；

c:价带中的朗道能级间隙关系。

图5：提取参数和交互作用

a: EZ/EN用于VB和CB中的可访问密度；

b-c:有效载体质量和Landég因子；

d-e:单粒子模型和存在相互作用的情况下塞曼分裂的朗道能级。

小结

该团队提取WSe2的朗道能级结构证明了在高载流子密度下具有异常强的塞曼能量以及强大的多体增强的重要影响，增强了EZ/EN在价带中高达2.6倍，因此在非常高的空穴密度下相互作用仍然很强，在零磁场下它们仍可能保持相关性。结合高密度的状态，这表明交换相互作用足够强以满足斯通纳标准的可能性，这意味着在B = 0时具有潜在的流动铁磁性。这种性质最近仅在少数2D材料中观察到，而且WSe2的情况下还可以是场效应可调的。

审核编辑：符乾江