[论文解读] Van der Waals engineering of ferromagnetic semiconductor heterostructures for spin and valleytronics

Ding Zhong, Kyle L. Seyler+12 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2018

2D Materials and Applications参考文献 58被引用 840

一句话总结

本研究通过范德华异质结构中单层WSe2与超薄CrI3的近邻耦合，实现了对自旋和谷赝自旋前所未有的控制。通过翻转CrI3的磁化方向，研究人员实现了谷能级分裂和极化的快速切换，检测到约13 T的极大有效磁交换场，且光致发光强度强烈依赖于界面处自旋排列。

ABSTRACT

The integration of magnetic material with semiconductors has been fertile ground for fundamental science as well as of great practical interest toward the seamless integration of information processing and storage. Here we create van der Waals heterostructures formed by an ultrathin ferromagnetic semiconductor CrI3 and a monolayer of WSe2. We observe unprecedented control of the spin and valley pseudospin in WSe2, where we detect a large magnetic exchange field of nearly 13 T and rapid switching of the WSe2 valley splitting and polarization via flipping of the CrI3 magnetization. The WSe2 photoluminescence intensity strongly depends on the relative alignment between photo-excited spins in WSe2 and the CrI3 magnetization, due to ultrafast spin-dependent charge hopping across the heterostructure interface. The photoluminescence detection of valley pseudospin provides a simple and sensitive method to probe the intriguing domain dynamics in the ultrathin magnet, as well as the rich spin interactions within the heterostructure.

研究动机与目标

• 通过与超薄铁磁半导体近邻耦合，探索二维半导体中自旋和谷赝自旋的调控。
• 研究范德华界面在无晶格失配或界面损伤条件下实现强且可调交换相互作用的作用。
• 开发一种对磁畴动力学敏感的非侵入式探测方法，利用谷赝自旋的光致发光检测实现探测。
• 证明利用二维异质结构作为平台，可实现高可调性的自旋电子学与谷电子学器件。

提出的方法

• 通过机械剥离单层WSe2和约10 nm厚的CrI3制备范德华异质结构，并用h-BN封装以防止降解。
• 在可变磁场和温度条件下进行偏振光致发光（PL）光谱测量，以探测自旋和谷态。
• 利用空间分辨PL测绘技术，在亚微米分辨率下成像CrI3中的谷赝自旋极化和畴结构。
• 施加垂直于二维平面的磁场（法拉第几何），诱导PL强度和峰位出现磁滞，揭示了铁磁行为。
• 采用谷能级分裂和归一化强度差（ρ）的拟合方案，从PL数据中提取出稳健且低噪声的信号。
• 提出一个包含偶极子和泽曼相互作用的唯象双畴模型，以解释观测到的磁滞回线和畴稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 超薄铁磁性CrI3能否通过范德华近邻效应在二维半导体中诱导出大且可调的交换场？
• RQ2 CrI3的磁化方向如何影响WSe2中的谷赝自旋和自旋极化？
• RQ3 对谷极化的光致发光检测能否作为二维磁体中磁畴动力学的灵敏探针？
• RQ4 界面交换耦合在实现谷能级分裂快速切换中起什么作用？
• RQ5 畴尺寸、磁化强度和畴间耦合如何影响观测到的磁滞行为？

主要发现

• 由于与CrI3的近邻耦合，在WSe2中检测到约13 T的极大有效磁交换场，对应5 K时约3.5 meV的谷能级分裂。
• 谷能级分裂与激发功率无关，排除了载流子密度效应的影响，证实其源于交换相互作用。
• 光致发光强度强烈依赖于WSe2中光激发自旋与CrI3磁化方向的相对取向，表明界面处存在超快自旋依赖电荷转移。
• 在磁场作用下观测到PL强度和峰位的磁滞回线，证实CrI3具有铁磁性，其矫顽场约为±0.85 T和±1.85 T。
• 空间分辨PL测绘揭示了CrI3中明显的磁畴结构，该技术对畴尺寸和磁化方向具有灵敏响应。
• 归一化强度差ρ提供了稳健且低噪声的谷赝自旋探测手段，在短积分时间下信噪比优于谷能级分裂。