厦门大学物理学系康俊勇教授团队吴雅苹教授、吴志明教授、李煦教授:石墨烯近邻耦合助力二维异质结构实现超快自旋电荷转移与巨谷极化分裂

背景介绍

随着信息器件向更高速度、更低功耗和更多自由度发展，利用电子“能谷”信息进行编码与调控的谷电子学，正逐渐成为二维材料研究的重要方向。单层过渡金属硫族化合物（TMDs）具有独特的自旋—能谷锁定效应，是构筑谷电子器件的理想平台。然而，在实际材料中，谷间散射会削弱谷极化，使得不同能谷中载流子的区分和操控受到限制。近年来，将TMDs与二维磁性材料构筑范德华异质结构，为调控谷自由度提供了新的思路。借助磁性层诱导的自旋选择性电荷转移，可以改变不同自旋载流子的分布，从而增强谷极化。但这一过程能否进一步提速、并转化为更高性能的光电器件，仍是该领域亟待解决的问题。

成果简介

针对上述问题，研究团队构筑了WS₂/CrBr₃/石墨烯（Gr）三层范德华异质结构，提出了一种利用石墨烯近邻耦合调控层间自旋—电荷转移动力学的新策略。研究发现，石墨烯可作为高效电荷抽取层，使异质结构在光照条件下仍保持较大的导带能级差，从而显著加快WS₂与CrBr₃之间的层间自旋—电荷转移。与传统WS₂/CrBr₃异质结构相比，引入石墨烯后，层间自旋—电荷转移时间由17.3 ps 缩短至1.3 ps；WS₂中三重激子的最大谷极化度提升至59.8%，谷极化分裂提高至37.9%，相较于未引入石墨烯的结构分别提升32%和261%。进一步地，基于该异质结构制备的圆偏振光探测器表现出更优异的偏振响应性能：圆各向异性比最高达到88%，光响应度提升约370%。这项工作表明，通过近邻耦合工程调控激子动力学，不仅可以有效增强二维异质结构中的谷极化行为，也为高灵敏度圆偏振光探测和新型谷电子器件设计提供了新的实现路径。

图文导读

图 1 异质结构构筑与基础表征。

研究团队通过精准转移技术依次构筑了单层WS₂、WS₂/CrBr₃以及WS₂/CrBr₃/Gr三类样品，并利用拉曼光谱和低温光致发光谱确认了各组分的成功集成。与单层WS₂相比，形成异质结构后发光显著减弱，表明层间电荷转移过程被有效激活。

在低温和外加磁场下，WS₂/CrBr₃/Gr异质结构表现出明显增强的手性依赖谷极化行为。其中，三重激子的最大谷极化分裂达到37.9%，远高于WS₂/CrBr₃结构，说明石墨烯近邻耦合显著放大了磁性层对谷自由度的调控作用。

第一性原理计算显示，在光生载流子注入条件下，WS₂/CrBr₃异质结构的导带失配会明显减小，而WS₂/CrBr₃/Gr中由于石墨烯能够快速抽取电荷，导带失配基本保持稳定，从而持续驱动更快的层间电荷转移。时间分辨光谱进一步证实，引入石墨烯后，三重激子寿命明显缩短，层间自旋—电荷转移过程被大幅加速。

图 4 高性能圆偏振光探测器。

基于WS₂/CrBr₃/Gr异质结构构筑的光探测器，在圆偏振光激发下展现出更强的手性选择性响应。其圆各向异性比和光响应度均明显优于未引入石墨烯的器件，验证了该策略在自旋光电子学和谷电子器件中的应用潜力。

作者简介

该研究由厦门大学物理学系康俊勇教授团队、微纳光电子材料与器件教育部工程研究中心、福建省半导体材料及应用重点实验室团队完成。论文第一作者为叶颖、柳梦宇、黄健，通讯作者为吴志明教授、吴雅苹教授、李煦教授。研究工作得到国家自然科学基金、福建省自然科学基金及厦门市自然科学基金等项目支持。

文章信息

Ye Y, Liu M, Huang J, et al. Giant valley polarization splitting and circular dichroism response in WS₂/CrBr₃ heterostructure via ultrafast spin-charge transfer. Nano Research, 2026, https://doi.org/10.26599/NR.2026.94908802.