Nat.Commun.：二硫化钼/双层石墨烯异质结构中的自旋轨道近邻效应！！

瑞士苏黎世联邦理工学院Klaus Ensslin团队发表了题为“ Spin-orbit proximity in MoS2/bilayer graphene heterostructures”的工作在Nature Communications期刊。

本文研究了在二硫化钼（MoS2）/双层石墨烯（BLG）异质结构中，通过范德瓦尔斯堆叠实现的自旋轨道耦合（SOC）的效应。实验上确认了在与MoS2接触的双层石墨烯中存在两种不同的SOC类型：伊辛型（ΔI = 1.55 meV）和Rashba型（ΔR = 2.5 meV）。此外，研究还揭示了在电荷中性点附近，电位移场对电导的非单调影响，这一现象归因于伊辛SOC引起的单粒子能隙，这些能隙可以通过临界位移场关闭。研究结果还表明，在临界位移场附近，磁导电性出现了尖锐峰值，这一发现挑战了现有的理论模型。

背景

自旋轨道耦合（SOC）在基于自旋的器件中至关重要，它通过时间依赖的电场实现自旋态的操控。双层石墨烯（BLG）因其在自旋电子学和量子计算中的潜力而备受关注，但其固有的Kane-Mele（KM）SOC较弱（40-80 μeV）。为了增强BLG中的SOC，研究者探索了与高SOC基底接触的方法，其中过渡金属二硫化物（TMDs）显示出显著的SOC增强效果。

主要内容

研究团队通过实验研究了MoS2/BLG异质结构中的SOC效应，并发现该结构中存在两种类型的SOC。研究还观察到在电荷中性点附近，电导对电位移场的非单调响应，以及在临界位移场附近磁导电性的尖锐峰值。这些发现对于理解TMD/双层石墨烯异质结构中的SOC性质及其对电子输运现象的影响具有重要意义。

实验细节概括

实验中，研究者使用了由六角氮化硼（hBN）、双层石墨烯（BLG）、三层MoS2和石墨底栅组成的范德瓦尔斯异质结构。通过磁输运实验分析了SOC引起的能带分裂，并通过紧束缚模型计算了能带结构。实验在约30 mK的温度下进行，测量了在零位移场和低磁场下的Shubnikov-de Haas振荡（SdHOs），以确定SOC引起的能带分裂。

创新点

1. 实验上首次确认了在MoS2/BLG异质结构中存在两种不同的SOC类型：伊辛型和Rashba型。
2. 揭示了在电荷中性点附近，电导对电位移场的非单调响应，这一现象归因于伊辛SOC引起的单粒子能隙。
3. 发现了在临界位移场附近磁导电性的尖锐峰值，挑战了现有的理论模型。
4. SOC参数：伊辛SOC（ΔI = 1.55 meV）和Rashba SOC（ΔR = 2.5 meV）。
5. 能带分裂：在零位移场下，低能带主要由伊辛SOC引起。
6. 电导响应：在电荷中性点附近，电导对电位移场的非单调响应，显示出在临界位移场Dc = ±12.5 mV/nm处电导局部最大值。
7. 磁导电性峰值：在临界位移场附近，磁导电性出现了尖锐峰值，挑战了现有的理论模型。
8. 温度依赖性：在1-10 K的温度范围内，电导随温度的增加而增加，表明绝缘行为受位移场的影响，但在所有位移场下电荷中性点附近的绝缘行为一致。

结论

研究结果表明，MoS2/BLG异质结构中存在两种类型的SOC，且伊辛SOC在能带分裂中起主导作用。在电荷中性点附近观察到的电导对电位移场的非单调响应，以及在临界位移场附近磁导电性的尖锐峰值，为进一步理解和利用异质结构中的SOC效应提供了新的视角。

图文内容

图1 | 零位移场下的磁输运数据。a BLG/MoS2异质结构的示意图，展示了层的横截面（右上图）并强调了BLG和MoS2层的对齐（右下图）。b 导电率随载流子密度的对数变化图。测量在大约30mK的温度下进行。点状（方形）标记代表电子（空穴）掺杂的数据。实红线表示线性拟合，而黑虚线表示导电率的饱和。c 在零位移场下，于T=1.3K时测量的朗道扇形图（左图）。右图显示了n=2.7 × 10^11 cm^-2处的垂直线切割图（左图中的虚线）。d 图(c)中朗道扇形图的快速傅里叶变换(FFT)。Rxx(B^-1)的FFT是按密度逐行计算的。垂直轴已根据nSdH = 2ef/h重新缩放，其中f是特斯拉单位下的频率轴，考虑了谷简并。虚线表示从图(e)的能带结构中获得的密度。右图显示了n=2.7×10^11 cm^-2处的垂直线切割图（左图中的虚线）。e 在零位移场下，接近K+点的具有自旋轨道耦合(SOC)（ΔI = 1.55meV和ΔR=2.5meV）的双层石墨烯的能带结构。能带是沿着相对动量kx（或等效地，沿着第一布里渊区的Γ-K-M线）绘制的。水平轴按晶格常数a =2.46Å缩放。带的颜色编码了自旋纹理（紫色表示自旋向上，橙色表示自旋向下）。f 从图(d)中傅里叶谱的两个峰之间的距离获得的密度差Δn。红实线表示根据图(e)的能带结构通过确定态密度，然后确定载流子密度n↓,↑，最后计算差值∣n↓−n↑∣而得到的对数据的拟合。拟合得出SOC参数：ΔI = 1.55±0.10meV和ΔR = 2.5 ± 0.5meV。阴影区域表示拟合参数的不确定性，这反映在Δn的不确定性中。

图2 | CN处导电率对位移场的依赖性。a 在T≈30mK时，导电率σ随密度和位移场的变化。b 图(a)中CN处σ的垂直线切割图。导电率在临界位移Dc = ±12.5mV/nm处显示局部最大值。c 在K点处，邻近效应双层石墨烯(BLG)的能带结构。计算中包含了ΔI = 1.55meV的伊辛自旋轨道耦合(SOC)项。展示了三种特征层间势能的能带结构：U = 0（左图）、U = 0.775meV（中图）和U = 2meV（右图）。能量轴已调整，使得E = 0对应于电荷中性点，由水平虚线标记。颜色代码表示层极化：蓝色表示第1层极化，红色表示第2层极化，如图右下角示意图所示。左图中的能带结构与图1c相同，但根据自旋纹理对能带进行了颜色编码。d 在CN处，D = 0（紫色）和D = Dc（橙色）时的导电率随温度的对数变化。交叉点是在稀释制冷机中测量的，而实线是在氦4泵浦低温恒温器中测量的。根据主文中定义的相关能标(Eth, Edis, ESO)，温度范围被分为三个区域（A–C）。e 在电荷中性点处，费米能量的等能轮廓图，分别对应U = 0（左图）和U = Uc（右图）。费米口袋根据其掺杂（电子e和空穴h）和自旋（↑, ↓）进行标记。示意图：在MoS2基底上，双层石墨烯晶胞的侧视图示意图。下方的颜色条定义了低能轨道上电子波函数的极化，这些轨道分别局域在晶格位置A1和B2（分别用蓝色和红色表示）。

图3 | CN处的磁输运数据。a 在T=30mK时，电导率随B⊥和D的变化。此图表示SOC邻近效应双层石墨烯(BLG)的(D, B)相图。相(I)是具有层极化波函数的带隙相。相(II)是另一种带隙相，已被归因于原始BLG中的倾斜反铁磁相41,62。相(I)和相(II)之间的相界（直线虚线）见补充说明10。相(III)是弱绝缘相，由单粒子谱中存在自旋间隙引起。b 当B⊥=0且面内磁场有两个值（B∥=0（紫色）和B∥=1.8T（橙色））时，σxx随D的变化。c 图(a)在D=0（紫色）和D=Dc（橙色）时的线切割图。黑色虚线和点线突出了电导率的1/B依赖性。d 在D=0时，微分电导Gd=dI/dVSD随电压偏置VSD和磁场B⊥的变化。虚线突出了Eg ∝ B⊥的关系（见补充说明11中的讨论）。

文献：

Masseroni, M., Gull, M., Panigrahi, A. et al. Spin-orbit proximity in MoS2/bilayer graphene heterostructures. Nat Commun 15, 9251 (2024).

https://doi.org/10.1038/s41467-024-53324-z