重慶研究院在2D材料量子調控研究方面取得新進展

　　日前，中國科學院重慶綠色智能技術研究院量子信息技術中心在2D材料量子調控研究方面取得新進展，相關研究成果以Bandgap modulation of MoS2 monolayer by thermal annealing and quick cooling 為題發表在Nanoscale 期刊上。相關成果同時申報了國家ZL：“一種基于熱應變對二維薄膜材料的量子效率和能帶的同步調制技術”（ZL號：201610897889.7）。

　　隨著石墨烯材料的廣泛應用，后續一系列類石墨烯材料包括硅烯、鍺烯、MoS2、MoSe2、WSe2等相繼被提出，特別是其中一些材料具備石墨烯材料所不具備的直接帶隙性質，從而使得這些材料擁有了在量子光學和光電子學等領域的重大應用潛力，獲得了廣泛重視。為了進一步提升基于二維薄膜材料的光、電性能，利用應變對材料能帶的調制成為調制二維材料性能的重要手段。截至目前，利用應變對能帶的調制幾乎全部以機械應變的形式提出。然而，機械應變對能帶的調制需要以犧牲材料的量子效率為代價；同時，機械應變不能在材料上形成永久性的應變。

　　針對上述問題，重慶研究院量子信息技術中心研究員趙洪泉及其研究團隊在國際上首次提出，以溫和熱處理結合在液體中快速降溫的方法，在2D材料上產生基于2D材料與襯底材料熱膨脹系數差的熱應變對材料性能的調制。該研究以MoS2單原子層為具體對象，但適用對象包括所有二維晶體薄膜材料、器件等。通過實驗測量熱處理和快速降溫前后熒光譜和拉曼譜的變化，結果表明，在200℃溫和熱處理和快速冷卻條件下，MoS2單原子層的熒光峰值強度提高2倍以上；同時，熒光A激子的譜峰波長和拉曼譜E12g模式頻率隨熱處理溫度從室溫到600℃近似線性變化，幅度分別為3.82meV/100℃和-0.28cm-1/100℃。當溫度控制精度達到1℃時，熒光A激子的譜峰波長和拉曼譜E12g模式頻率控制精度分別達到0.0038meV和0.0028cm-1，調制精度達到傳統的機械應變調制的100倍。從而明確了200℃附近溫和熱處理和快速降溫有助于大幅提高薄膜材料的直接躍遷量子效率，并對能帶進行同步精細調制。該方法所產生的熱應變同時是一種永久性的應變，只有在再次進行高溫熱處理條件下才能消除。

　　該研究為基于應變對2D材料的能帶結構的精細調制提供了實驗和理論依據。