上海光机所在单层WSe2-Si超快太赫兹发射光谱研究方面取得进展

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室与国科大杭州高等研究院和中国科学院空天信息研究院合作，在二维WSe2-Si的混合维度异质结中瞬态电流太赫兹发射动力学以及谷自由度探测方面取得研究进展。相关研究成果以 “Ultrafast Drift Current Terahertz Emission Amplification in the Monolayer WSe2/Si Heterostructure”为题发表于The Journal of Physical Chemistry Letters上。 　　

基于单层过渡金属硫族化合物（TMDs）的范德瓦尔斯异质结作为同时具有强的自旋动量锁定效应与能带可调等丰富的光电性质的二维半导体,在片上集成光源、新型光电探测和谷电子学技术中具有重要的应用潜力。 　　

本工作首次利用非接触的超快太赫兹发射光谱技术探测了TMDs-Si异质结中耗尽场放大的瞬态光电流，并利用其探测了其中单层二维材料放大的谷自由度并实现了全光操控。本工作为基于二维-三维混合维度异质结的谷电子学探索提供了新思路。 　　

在这项工作中，研究人员使用时间分辨太赫兹发射光谱系统，研究了单层WSe2-Si异质结经飞秒激光泵浦后的超快太赫兹发射动力学过程。通过对太赫兹发射机理的分析，发现并验证了WSe2-Si异质结中增强的耗尽电场加速载流子迁移，从而导致更大的瞬态电流与对应10倍增强的太赫兹辐射的作用过程。 　　

同时，利用时间分辨太赫兹发射光谱系统可在无需特殊环境（低温、磁场、应力）的室温条件下探测到单层WSe2与WSe2-Si异质结中泵浦光手性依赖的谷光电流，证实了二维-三维异质结中自旋动量锁定效应的存在，同时也发现单层WSe2材料的谷-动量锁定的光电流手性在异质结中得到了保留。由此利用谷光电流偏振依赖特性，也可以实现对半导体材料发射太赫兹的有效调控。 　　

硅基二维-三维材料异质结中实现太赫兹辐射放大的方法拓展了基于超快光学方法的太赫兹辐射源提升效率方式，对于新型片上可集成的太赫兹芯片研究具有重要的意义。此外，超快太赫兹发射光谱在室温条件下对于TMDs材料中谷光电流的无接触探测拓宽了探测自旋动量锁定效应的方法路径，为基于此类异质结的谷电子学的研究提供了新的思路。 　　

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图1 (a)太赫兹发射光谱系统示意图；(b) 太赫兹脉冲时域波形；(c) 异质结中耗尽电流辐射太赫兹示意图。

图2 (a) 光学选择定则示意图；(b) 单层WSe2与异质结中的泵浦光手性依赖现象。