太赫兹场效应在二维半导体中的超快调控：基于混合3D-2D纳米天线的量子限域斯塔克效应研究

研究人员通过设计混合3D-2D太赫兹（THz）纳米天线，首次实现了原子级薄MoS2 中MV/cm级垂直电场超快（亚皮秒）调控，观察到THz诱导的激子共振斯塔克位移。该技术突破了传统静电门控的速率限制，为二维材料超快光电器件开发提供了新策略。

　　

研究背景
二维层状材料因其可调的光电特性成为新一代电子器件的明星材料。传统静电门控技术虽能通过垂直电场调控材料性能，但受限于微波响应速率（纳秒级），难以实现器件兼容的亚皮秒超快控制。更棘手的是，MV/cm级强电场在静态条件下易引发介质击穿。如何实现二维材料的非破坏性超快场效应调控，成为制约其在高频器件中应用的关键瓶颈。

研究设计与方法
德国比勒菲尔德大学等单位的研究团队创新性地提出混合3D-2D太赫兹纳米天线结构，通过机械剥离制备3-4层MoS₂
样品，结合原子层沉积（ALD）生长Al₂
O₃
介质层。采用太赫兹泵浦-光学探测（TPOP）技术，利用倾斜脉冲前沿光学整流产生0.2-2.5 THz宽带脉冲，通过CCD成像光谱仪实时监测激子共振变化。

研究结果

混合3D-2D纳米天线设计
设计的金电极/Al₂
O₃
介质层纳米天线具有领结偶极结构（图1），通过水平-垂直场转换实现13.3倍场增强。FDTD模拟显示可将入射THz场（10 kV/cm）转换为1.4 MV/cm垂直门控场，带宽保持0.1-2.5 THz。

太赫兹泵浦-光学探测响应
在无MoS₂
的参比结构中仅观察到<1%的宽谱反射率调制（图2a,c）。而加载3层MoS₂
的器件中（图2b,d），A/B激子共振（1.89/2.03 eV）出现6-7 meV的THz相干调制，时间特性与入射THz场振荡同步（图3）。

量子限域斯塔克效应验证
通过抛物线拟合（图5）确认场增强因子k=15-25，内置电场F_z,bi
=0.94-2.4 MV/cm。激子能量偏移符合二次方依赖关系（ΔE_A
=-μ(kF_x,in
-F_z,bi
)²
），极化率μ=0.58×10^-8
D·m·V^-1
与文献报道的DC斯塔克效应一致（图4f）。

结论与意义
该研究首次实现了二维材料的THz超快场效应调控，通过量子限域斯塔克效应（QCSE）在亚皮秒时间尺度操控激子态。技术突破在于：① 领结天线实现场增强与极化转换；② 克服静态门控的击穿限制；③ 揭示界面陷阱导致的内置电场效应。发表于《Nature Communications》的这项工作为二维材料在THz调制器、超快晶体管和量子相变控制等领域的应用开辟了新途径。