北京大学戴伦教授团队ACS Nano：基于垂直WSe2-CrI3 p-n异质结的自旋增强自供电光螺旋度探测

研究背景

自2017年发现Cr₂Ge₂Te₆和CrI₃中的本征铁磁性以来，各种2D磁性范德华（vdW）材料不断涌现，引起了广泛的研究兴趣。它们为在原子薄极限下研究光-物质相互作用和开发有前途的2D磁-光电器件提供了一个平台。单层CrI₃具有铁磁性，磁化轴容易垂直于层，而多层CrI₃具有层状反铁磁性。迄今为止，关于CrI₃的各种研究已被报道，包括隧道磁电阻，静电掺杂和螺旋发光。MoS₂、MoSe₂、WSe₂等单层半导体过渡金属硫族化合物（TMDCs）具有强自旋-轨道相互作用和自旋-谷锁定的特性，并服从谷相关的光选择定则。当2D磁性材料与单层TMDCs集成形成vdW异质结时，由于强邻近效应，出现了各种独特的磁光/电现象，预示着实现有前景2D自旋光电器件的可能性。

成果介绍

有鉴于此，近日，北京大学戴伦教授团队报道了垂直hBN-FLG-CrI₃-WSe₂-FLG-hBN范德华异质结的各种磁-光电响应特征。通过合理的布局和精细的操作，在相同的CrI₃和FLGs上制备了hBN-FLG-CrI₃-FLG-hBN异质结，以便更好地进行比较。结果表明，WSe₂-CrI₃异质结作为p-n异质结，具有良好的光探测能力，特别是在自供电光螺旋度探测方面。在WSe₂-CrI₃异质结中，光电流I_PH绝对值与偏置V呈明显的不对称性，其中反向偏置的WSe₂-CrI₃ p-n异质结的I_PH更大。在3 T磁场下，当CrI₃完全自旋极化时，反向偏置的WSe₂-CrI₃异质结表现出有利的光螺旋度探测能力。当四分之一波片旋转180°时，短路电流I_SC和I_PH均表现出单周期波动行为，对应的光响应度螺旋度分别高达18.0%和20.1%。本文将WSe₂-CrI₃异质结中自旋增强的光伏效应及其对圆偏振光探测的贡献归因于自旋滤波器CrI₃和谷电子单层WSe₂的配位功能、以及它们之间自旋相关的电荷转移。本文的工作有助于理解WSe₂-CrI₃异质结的磁性和光电学性质之间的相互作用，并促进了2D自旋光电器件的发展。文章以“Spin-Enhanced Self-Powered Light Helicity Detecting Based on Vertical WSe₂-CrI₃ p-n Heterojunction”为题发表在著名期刊ACS Nano上。    

图文导读

图1. hBN封装的垂直FLG-CrI₃-WSe₂-FLG和FLG-CrI₃-FLG vdW异质结器件的示意图和光学图像。    

本文通过机械剥离和干法燥转移hBN、FLG、CrI₃和单层WSe₂薄片，同时制备了hBN封装的FLG-CrI₃-FLG和FLG-CrI₃-FLG vdW异质结器件，示意图和光学图像如图1所示。FLG层与Cr/Au电极接触用于测量目的，hBN层用于保护器件免受降解。在此，本文有意设计和操控FLG的重叠区域，以封装CrI₃-WSe₂异质结和独立的CrI₃。

图2. 器件的磁-光电性质。（a）μ₀H=0 T和3 T时暗电流I_DARK-V曲线。（b）并联器件在V=±3 V时的I_DARK-μ₀H曲线。（c）在μ₀H=3 T下测量的WSe₂-CrI₃器件在不同光功率下的I_PH-V曲线。（d）不同条件下I_PH与P的关系。    

在零场和μ₀H=3 T下，FLGs之间的I_DARK-V曲线如图2a所示。其中，I_DARK为通过并联的WSe₂-CrI₃和CrI₃器件的总暗电流。在高偏置下，V>0和V<0的I_DARK和V关系呈现负斜率，表明暗电流具有Fowler-Nordheim（FN）隧穿电流行为。在3 T时（对应于CrI₃的完全自旋极化态）测得的隧穿电流大于在0 T时（对应于CrI₃的反铁磁基态）测得的隧穿电流，证明了CrI₃的自旋滤波功能。本文还测量了并联器件的I_DARK-μ₀H曲线，如图2b所示。当V=±3 V时，I_DARK在磁场扫描时呈现多个平台，对应于不同磁场下自旋翻转使多层CrI₃的不同磁化状态。当|μ₀H|<2.3 T时，在相同的磁场下，在-3 V下测量的I_DARK（即WSe₂-CrI₃ p-n异质结正偏）大于在3 V下测量的I_DARK，反映了WSe₂-CrI₃ p-n异质结的整流特性。当|μ₀H|>2.3 T时，当V=±3 V时，I_DARK值达到饱和并相等，表明CrI₃层被完全磁化，I_DARK由自旋极化隧穿电流主导。然后，本文研究了WSe₂-CrI₃和CrI₃器件的磁-光电性能。在μ₀H=3 T下，WSe₂-CrI₃器件在不同光功率下的I_PH-V曲线如图2c所示。不同条件（V=±3 V，μ₀H=0和3 T）下I_PH与P的关系如图2d所示。由图可知，在μ₀H=3 T时，当WSe₂-CrI₃ p-n异质结反向偏置（V=3 V）时，I_PH-V曲线的不对称性更为明显，即光电流变大，且这种不对称性在更高的光功率下更为明显。

图3. 器件的空间分辨光电响应性质。（a）WSe₂-CrI₃异质结和CrI₃器件的光学图像。（b）750±10 nm的PL成像。（c-f）不同条件下的I_PH成像。

本文进行了空间分辨磁光电测量来比较WSe2-CrI3异质结和CrI3器件的光电响应性质。值得注意的是，这两种器件经历了相同的制造工艺，并具有相同的CrI₃，FLGs和hBNs。因此，可以避免由于不同的材料和干法转移过程而不可避免地带来的器件差异，得出更可靠的结论。器件的光学图像如图3a所示。单层WSe₂的位置（图3b）也通过750±10 nm处的PL成像确认（对应单层WSe₂的PL峰）。不同条件下的实验结果如图3c-f所示。可以看到，光电流主要出现在两个FLG层重叠的区域。异质结区在V=3 V处的I_PH远高于V=-3 V处，磁场进一步增强了这一差异，与图2c和d一致。然而，在这些不同条件下，“CrI₃”区域的I_PH变化不大。在μ₀H=3 T和V=3 V时，“异质结”区域的I_PH是“CrI₃”区域的3倍。

图4. WSe₂-CrI₃ p-n异质结的自旋增强光伏行为和光螺旋度探测。（a）μ₀H=0和3 T时短路电流I_SC与P的关系。（b）μ₀H=3 T时，I_SC与四分之一波片角（θ）的关系。（c&d）在μ₀H=3 T下，当V=3 V和V=-3 V时，I_PH与θ的关系。

在633 nm光照下，WSe₂-CrI₃异质结和CrI₃器件表现出明显和可忽略的光伏行为。WSe₂-CrI₃器件的I_SC随光功率增加而显著增加，而CrI₃器件的I_SC在所有光功率下都很小。本文还研究了WSe₂-CrI₃异质结在磁场作用下的光电行为。设置μ₀H=3 T以保证CrI₃被完全磁化。在μ₀H=3 T下测量的WSe₂-CrI₃异质结的I_SC与P关系如图4a所示，并与μ₀H=0 T时测得的相比较。可以看到，与μ₀H=0 T时相比，μ₀H=3 T时的I_SC随光功率的增加要快得多，这表明磁场（即自旋）对WSe₂-CrI₃异质结器件的光电行为有明显的增强作用。本文进一步研究了WSe₂-CrI₃ p-n异质结自旋增强光伏行为在自供电光螺旋度探测中的应用。WSe₂-CrI₃ p-n异质结的I_SC与四分之一波片角度（θ）的关系如图4b所示。当四分之一波片旋转180°时，I_SC表现为一周期波动行为（对应的圆偏振入射光经历σ⁺和σ^-的一周期切换）。峰（谷）出现在45°（135°）处，对应于σ⁺(σ^-)激发。通过对I_SC-θ曲线进行正弦函数拟合，得到光螺旋度ρ高达18.0%，证明了WSe₂-CrI₃ p-n异质结器件具有高自供电光螺旋度探测能力。本文还测量了μ₀H=3 T和V=±3 V时WSe₂-CrI₃ p-n异质结的I_PH与θ的关系。结果如图4c和d所示。当四分之一波片旋转180°时，I_PH也表现出单周期波动行为。峰（谷）出现在45°（135°）处，对应于σ⁺(σ^-)激发，与I_SC相似。得到的ρ值在V=3和-3 V时分别高达20.1%和12.4%，表明施加反向偏置可以进一步增强WSe₂-CrI₃ p-n异质结的光螺旋度探测能力。    

图5. FLG-CrI₃-WSe₂-FLG异质结和FLG-CrI₃-FLG异质结的能带图。

为了阐明这些实验现象的物理机制，本文绘制了FLG-CrI₃-WSe₂-FLG异质结的能带图（图5a-d）和FLG-CrI₃-FLG异质结的能带图（图5e和f）。在FLG-CrI₃-FLG异质结中，电流是隧穿电流，因此无论在黑暗或光照下测量，它都几乎是对称的。在FLG-WSe₂-CrI₃-FLG异质结中，电流以隧穿的方式流过FLG-WSe₂和CrI₃-FLG界面，当p-n异质结正偏（反偏）时，电流以扩散（漂移）的方式流过WSe₂-CrI₃的p-n异质结。因此，_IDARK相对于±V是不对称的，正向暗电流大于反向暗电流。在光照下，光生载流子受到p-n异质结内建电场的驱动，产生短路电流I_SC（也称为光生电流）。这就是所谓的光伏效应。I_SC与P成正比，流动方向与p-n异质结的正向电流（V<0）相反，导致反向偏置时_IPH较大。当V>0（V<0）时，WSe₂-CrI₃器件的I_PH高于（低于）CrI₃器件的现象从另一个侧面说明了p-n异质结的作用。当CrI₃层在μ₀H>2.3 T下完全磁化时，I_DARK由自旋极化隧穿电流主导，且在V=±3 V时为饱和且相等（图2b）。在这种情况下，I_PH-V曲线的不对称现象变得更加明显。

本文将WSe₂-CrI₃异质结中自旋增强的光伏效应及其对圆偏振光探测的贡献归因于自旋滤波器CrI₃和谷电子单层WSe₂的配位作用，以及它们之间自旋相关的电荷转移。例如，在3 T下完全向上磁化的CrI₃中，e_g轨道上的电子都是自旋向上的。在这种情况下，自旋向上（自旋向下）的电子可以（不能）轻易地穿过多层CrI₃的相邻层，这些层作为自旋滤波层。此外，由于自旋相关的电荷转移效应，只允许自旋向上的电子在CrI₃和WSe₂之间的界面之间转移。另一方面，在σ⁺光照射下，谷相关的光学选择定则只允许单层WSe₂中K能谷之间的自旋电子相关跃迁。因此，在3 T下，器件在σ⁺光照下比σ光照下具有更大的光电流。具体来说，p-n异质结中的光伏效应可以通过内建电场增加I_PH来进一步增强光螺旋度探测能力，在反向偏置时I_PH更大。因此，WSe₂-CrI₃异质结具有优异的自旋增强光螺旋度探测能力。    

总结与展望

本文制作了一个垂直的hBN-FLG-CrI₃-WSe₂-FLG-hBN vdW异质结，并研究了它在磁-光电响应方面的独特特性，特别是在自供电光螺旋度探测方面。通过合理的布局和精细的操作，本文还在相同的CrI₃和FLGs上制备了hBN-FLG-CrI₃-FLG-hBN vdW异质结构，以便更好地进行比较。本文的研究结果表明，作为p-n异质结的WSe₂-CrI₃异质结具有有利的自旋增强螺旋度探测能力，并且可以自供电。在633 nm光照下，WSe₂-CrI₃异质结的I_PH-V曲线与偏置呈明显的不对称性，其中反向偏置的WSe₂-CrI₃ p-n异质结的I_PH较大。在±3 T磁场下，当CrI₃完全自旋极化时，反向偏置的WSe₂-CrI₃异质结表现出非凡的光螺旋度探测能力。当四分之一波片旋转180°时，I_SC和I_PH均表现出单周期波动行为，对应的光响应螺旋度分别高达18.0%和20.1%。通过绘制和分析相应的能带图，本文阐明了这些现象的起因。本文的工作有助于理解WSe₂-CrI₃异质结的磁性和光电性质之间的相互作用，并促进了有前途2D自旋光电器件的发展。

文献信息

Spin-Enhanced Self-Powered Light Helicity Detecting Based on Vertical WSe₂-CrI₃ p-n Heterojunction

（ACS Nano, 2024, DOI:10.1021/acsnano.4c08185）    

文献链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c08185    

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