博士生李少菲同学在国际知名期刊Small上发表论文

      近日，课题组成员李少菲同学在刘老师的指导下，以第一作者在中科院1区TOP期刊Small上发表题为 “Layer- and Charge-State Dependent Magnetic Proximity Modulation of Valley Excitons in MoS₂/CrBr₃ Heterostructures”(MoS₂/CrBr₃异质结构中谷激子的层态和电荷态磁邻近调制特性)的实验论文。

图：MoS₂/CrBr₃异质结构中谷激子的层态和电荷态磁邻近调制特性

       动量空间中的谷自由度对应于局域能量极值，近年来已成为凝聚态物理中的前沿领域，为信息编码与量子逻辑开辟了新的途径。 这一新兴研究方向被称为“谷电子学”(valleytronics)，旨在操控布里渊区中不等价谷的载流子，以实现信息的编码和处理。 二维过渡金属二硫族化合物(TMDCs)，如 MoS₂，由于其反演对称性破缺和强自旋–轨道耦合，天然实现了自旋与谷自由度的锁定，从而具备谷选择性的光学可控性，因而受到了广泛关注。 谷自由度可以通过多种方式进行操控，包括光学调控、磁场调控、电场调控以及界面工程。近期研究表明，手性钙钛矿/TMDC 异质结构能够通过选择性自旋注入，有效地在 TMDCs 的不同谷之间形成载流子数目的不平衡，从而实现谷极化控制。

      与此同时，TMDC/二维磁体异质结构中的磁性近邻效应(MPE)已成为实现谷控制的另一种极具潜力的策略。 其核心在于：MPE 通过磁性层与 TMDC 之间的界面交换耦合，改变非磁层的能带结构，诱导自旋极化，并调控其激子性质。最新实验进展已证实，MPE 能够解除谷简并、产生显著的谷劈裂，并重整激子的 g 因子，尤其是在 CrX₃(X = Br, I)/TMDC 异质结构中，观察到数 meV 量级的塞曼劈裂。 尽管取得了这些突破，但关于 MPE 如何随 TMDC 层数和磁性材料厚度变化而表现出不同效应的全面理解仍然缺乏。特别是，界面交换作用、电荷转移动力学与激子行为在多变量结构条件下的相互作用机制尚未完全厘清。

     在本研究中，我们系统地考察了 MoS₂/CrBr₃ 异质结构的磁光学性质，重点分析了 TMDC 厚度（单层 vs. 双层）以及 CrBr₃ 层数(少层 vs. 块体)的影响。在低温条件下，我们观察到激子发射的红移，以及由三激子(Xᵀ)向中性激子(X⁰)的转变，这归因于界面耦合与 II 型能带对齐驱动的电荷转移。圆偏振光致发光(PL)显示出 1L-MoS₂/块体 CrBr₃ 体系中谷极化的磁滞回线，反映了 CrBr₃ 的本征铁磁性。在高磁场下，无论是少层 CrBr₃ 还是块体 CrBr₃，均显著增强了 MoS₂ 中激子的 g 因子，增强幅度最高达 2.3 倍。这些实验结果与第一性原理密度泛函理论(DFT)计算相吻合，后者预测 CrBr₃ 在 MoS₂ 中诱导约 1.8 meV 的谷劈裂，与我们零场测量结果高度一致。本工作揭示了 MPE 在 TMDC/磁性异质结构中的层依赖行为，并确立了 CrBr₃ 作为谷电子学控制的有效近邻源。这些发现为基于二维材料平台的可调谷电子学与光电子器件设计奠定了重要基础。

 文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202508423

Comments:

This manuscript provides a thorough and insightful investigation into the magnetic proximity effect (MPE) in MoS₂/CrBr₃ heterostructures, with a focus on how MPE is influenced by both the layer configuration of MoS₂ (monolayer vs. bilayer) and the charge state of excitons. The authors present a systematic study employing photoluminescence spectroscopy, which reveals a charge-state dependent MPE, supporting a spin-aligned interfacial charge transfer mechanism. The observed Zeeman splitting of 1.49 meV at zero magnetic field in monolayer MoS₂, in agreement with the theoretical calculation of 1.8 meV, provides solid experimental evidence of the strong MPE present in these heterostructures.

The results highlighting the enhancement of the g-factors of neutral excitons and trions under high magnetic fields (~2.3 and ~1.8, respectively) in monolayer MoS₂ are particularly interesting and contribute valuable insights into the role of MPE in modifying excitonic properties. The contrasting response observed in bilayer MoS₂, where the interfacial exchange coupling is weaker, underscores the significance of the layer-dependent proximity effect in these systems. This layer dependence is a critical aspect, as it indicates the potential for tuning valleytronic functionalities based on the material's structure and the charge state of excitons.

The authors effectively demonstrate the potential for utilizing CrBr₃-based heterostructures in valleytronic applications, which could be crucial for developing future quantum and optoelectronic devices. This work represents an important step in advancing our understanding of MPE in 2D materials and opens up possibilities for engineering tailored valleytronic devices by leveraging the unique properties of layer-dependent proximity effects.