[論文レビュー] Longitudinal and spin/valley Hall optical conductivity in single layer $MoS_{2}$

Zhou Li, Jules Carbotte|Nov 13, 2012

2D Materials and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、スピン軌道結合およびバルク自由度を組み込んだ低エネルギーハミルトニアンを用いて、モノレイヤーMoS₂における縦方向および横方向（スピン／バルクホール）光学伝導度の理論的分析を実施する。円偏光光が特定のバルクに高効率でキャリアを励起すること、および温度が吸収閾値付近のスピン混合に顕著に影響することを明らかにした。これにより、バルクトロニクス応用におけるスピン極化の制御が可能となる。

ABSTRACT

A monolayer of $MoS_{2}$ has a non-centrosymmetric crystal structure, with spin polarized bands. It is a two valley semiconductor with direct gap falling in the visible range of the electromagnetic spectrum. Its optical properties are of particular interest in relation to valleytronics and possible device applications. We study the longitudinal and the transverse Hall dynamical conductivity which is decomposed into charge, spin and valley contributions. Circular polarized light associated with each of the two valleys separately is considered and results are filtered according to spin polarization. Temperature can greatly change the spin admixture seen in the frequency window where they are not closely in balance.

研究の動機と目的

• モノレイヤーMoS₂の光学応答、特に縦方向および横方向（スピン／バルクホール）伝導度を理解すること。
• バルク特有の選択則に起因して、円偏光がなぜ片方のバルクにのみキャリアを効率的に励起するかを調査すること。
• 温度が吸収端付近の光学伝導度におけるスピン混合に与える影響を検討すること。
• クーブ式を用いて横方向伝導度を電荷、スピン、バルクホール成分に分解すること。
• バルクトロニクスおよび2次元オプトエレクトロニクスのデバイス応用に関連する光学伝導度の定量的予測を提供すること。

提案手法

• Kおよび-K点の近傍におけるMoS₂の低エネルギー有効ハミルトニアンを用い、スピン軌道結合およびバルク指数τを含む。
• 動的伝導度を計算するためのクーブ式を適用し、電荷、スピン、バルクホール成分に分解する。
• Kおよび-Kバルクを中心にした運動量空間積分を用いて、グリーン関数を用いて伝導度を評価する。
• フェルミ・ディラック分布を用いて温度効果を組み込み、占有状態のぼやけ具合がスピン混合に与える影響を考慮する。
• 右回り（σ₊）および左回り（σ₋）円偏光の実部を計算し、バルク選択的励起をモデル化する。
• 無限バンド極限での解析的表現を導出し、運動量カットオフ（ka = 3.0）を用いた数値計算を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 円偏光がモノレイヤーMoS₂の片方のバルクにのみ高効率でキャリアを励起するメカニズムは何か？
• RQ2 横方向光学応答における電荷、スピン、バルクホール伝導度の相対的寄与はどの程度か？
• RQ3 温度が吸収閾値付近のスピン混合に与える影響は何か？
• RQ4 MoS₂において、バルクホール伝導度とスピンホール伝導度の大きさおよび符号はそれぞれどのように異なるか？
• RQ5 円偏光励起下で、第二のバルクが光学吸収にどの程度寄与するか？

主な発見

• バルクホール伝導度の実部は正であり、スピンホール伝導度とは異なり、特定の化学ポテンシャル領域では負となるが、その絶対値は顕著に大きい。
• 円偏光励起下では、4 eVの光子エネルギーにおいて第二のバルクの吸収寄与は20％未満にとどまり、強いバルク選択的励起が確認された。
• 主な吸収ピークは約1.7 eVに位置し、バンドギャップエネルギー（1.66 eV）付近で急峻な開始を示す。
• 温度はスピン混合に顕著に影響する：300 Kではスピンアップ成分の占有状態がスピンダウンよりも強くぼやけるため、スピン極化ピークがシフトし、広がる。
• 吸収閾値付近では、スピンアップ遷移の開始が遅れるため、スピン極化比P(ω)は0.5未満に低下し、0に近づくことがある。これは一時的な不均衡を示唆する。
• バルクホール伝導度のDC極限は解析的に導出され、大きな正の値を示し、バルクトロニクス応用における可能性を裏付けた。