单层过渡金属硫族化合物（TMDs）具有晶体结构空间反演对称性破缺和强自旋-轨道耦合效应，在布里渊区能带极值处形成了简并但不等价的K和-K能谷。借助左、右旋圆偏振光，可实现对K和-K能谷的选择性激发，从而操控谷赝自旋的极化态，实现信息编码。实验中可利用左旋或右旋圆偏振激光激发的圆偏振光致发光谱(photoluminescence)对能谷极化进行表征。比如在

激光的激发下，发光的偏振度即可表征K和-K谷的谷极化度（degree of valley polarization, DVP）：，其中，和分别代表和的发光强度。“能谷”相继成为继电荷、自旋之后的第三种信息自由度，孕育出新兴的“能谷电子学”（valleytronics）。然而，由声子散射与电子–空穴交换相互作用引发的谷间散射使得谷极化度随着温度升高而迅速衰减，室温时接近零，难以满足能谷电子器件的实际需求。

图1. (a) 离子液体栅控方法示意图。(b) ILG处理前后MoS₂/ MoS₂同质结中A(X_A)、B(X_B)的能谷极化度随温度变化关系。

本研究构建了双层TMDs同质结结构（如MoS₂/ MoS₂、WS₂/WS₂），在保持空间反演对称性破缺的同时，为离子插层提供空间。我们利用团队前期发展的离子液体栅控（Ionic-liquid Gating, ILG）方法，实现了对双层TMDs同质结超过10¹² cm⁻²的高电子浓度掺杂（Nano Lett.2022, 22 (22), 8957-8965），掺杂前后MoS₂/ MoS₂同质结室温A(X_A)、B(X_B)激子谷极化度分别从0提升至23%与28%；WS₂/WS₂同质结也实现了16%的室温谷极化度。

图2. (a) 不同栅压下ILG处理后MoS₂/ MoS₂同质结A(X_A)、B(X_B)激子的室温能谷极化度。

(b) ILG处理前后MoS₂/ MoS₂同质结场效应晶体管转移特性曲线。

进一步通过背栅电压调控费米能级，MoS₂/ MoS₂同质结A(X_A)、B(X_B)激子的室温谷极化度可进一步提升至44%与51%，超越已有报道的MoS₂单层最高值。该增强效应归因于载流子浓度的提高增强了对长程电子-空穴相互作用的库仑屏蔽效应，从而有效抑制谷间散射，显著提升了MoS₂/ MoS₂同质结的室温能谷极化度。该研究为实现室温下可操作的谷电子器件提供了一种可能的思路，无需依赖强磁场或低温条件。

该研究成果于近日发表于《Advanced Materials》。论文第一作者为浙江大学物理学院博士生肖聪，王业伍教授为唯一通讯作者。该研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省重点研发计划等项目的支持。

文章信息：

Cong Xiao, Tianjian Ou, Xiaoxiang Wu, Zhanjie Qiu, Yizhengyang Zhan, Yuan Zheng, Hancheng Yang, and Yewu Wang*, Improvement of Room Temperature Valley Polarization in Transition Metal Dichalcogenides Homojunction via Ionic-Liquid-Gated Modulation, Adv. Mater., e13772 (2025).

文章链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202513772