ACS Nano: 单原子層過渡金屬硫族化合物中发现一維電荷密度波

  近日,國防科技大學王廣副研究員研究團隊与中科院蘇州納米所真空互聯實驗站李坊森副研究員等合作,基于单原子層過渡金屬硫族化合物制造出一種一維金屬導線,揭示了受限體系的電子集體激發和電荷周期性調制規律研究團隊在该体系中首次实现了一維Peierls型電荷密度波(Charge Density Wave, CDW)原子尺度的直接觀測,發現了周期性的原子晶格畸變和清晰的UCDW能隙提出了一种研究一維体系電荷调制内在物理机制的新方法,对低维材料体系的量子效应和拓扑物态研究具有重要意义。该研究成果以Direct Observation of One-Dimensional Peierls-type Charge Density Wave in Twin Boundaries of Monolayer MoTe2”爲題發表在ACS Nano 

  上世紀50年代起,一維体系的低能激發行爲引起了理論物理學家的廣泛關注。一維体系中電子之間的相互作用使得单電子激发失效而表现出集体激發行爲導致自旋-電荷分離現象,即帶有自旋的准粒子和帶有電荷的准粒子傳播速度不一致,其低能激發行爲通常Tomonaga-Luttinger液體(TLL)理論很好地解釋。在一維体系中陆续发现的金屬鏈的電荷密度調制”、“半导体纳米线的马拉约那束缚态”和“高阶拓扑绝缘体中的拓扑角态或棱态”等新奇電子特性爲研究一維体系量子物理及其应用提供了全新的机遇。如果進一步考虑電子与一維晶格之間的相互作用-聲子相互作用),可能使電子之間的相互作用減小從而导致Peierls相变驱动下的電荷密度波現象但由于維體系很容易受到周圍(如襯底、相鄰原子鏈之間等)因素的影響,使得其本征電子激发性质难以直接观测。这疫ぷ鞒浞掷用了真空互联技术的优势,并选择过渡金属硫族化合物作爲研究对象。这是一类新型层状半导体材料,具有丰富的物相和强自旋轨道耦合,展现出超导、磁性、量子自旋霍尔效应、外尔半金属等新奇的物理效应,是当前凝聚态物理和材料科学研究的前沿热点,在下一代半导体信息器件领域有重要的应用前景。近期的研究工作表明,单原子層過渡金屬硫族化合物中的一維金属性镜面孪晶边界Mirror Twin Boundary, MTB处呈现出周期性的電荷调制,爲探索一維受限体系的電子行爲提供了非常理想的平台。然而,目前MTB電荷调制的基本机理和電子在一維受限结构中的传输方式仍然存在著較大爭議 

  作爲納米真空互聯實驗站的重要用户王廣副研究員与实验站李坊森副研究員(青促会会员)等緊密合作在前期過渡金屬硫族化合物MoTe2薄膜的可控生長(Carbon 115, 526 (2017))和電子性质的精确调控(Nano Letters 18, 675 (2018))的研究基礎上,結合超高真空分子束外延生長方法和極低溫掃描隧道顯微鏡/顯微譜技術,首次實現了單原子層MoTe2孪晶边界处一維Peierls電荷密度波原子尺度的直接觀測。研究團隊發現了周期性的原子晶格畸變、清晰的UCDW能隙以及能隙之外周期性變化的量子化能級,排除了TLL低能激發机制的可能性。基于晶格畸变的密度泛函電子结构计算与实验结果非常吻合,進一步证实其能隙主要来詮内Mo原子的4d軌道。理論計算和實驗結果共同給出了單原子層過渡金屬硫族化合物一維Peierls型電荷密度波的确定性证据,一維体系電子-聲子相互作用低能激發理論以及電荷调制行爲的内在物理机制開辟了新的研究途徑該研究工作揭示了受限系统中電子集体激发和電荷周期性调制规律,对低维材料体系的量子效应和拓扑物态研究具有重要意义。 

  該研究成果于2020624日在線發表于ACS NanoDOI: 10.1021/acsnano.0c02072)。中科院蘇州納米所丁孫安研究員、李坊森副研究員和國防科技大學王廣副研究員是本文的共同通訊作者,博士後王利、伍瑩和博士生于亞運是本文的共同第一作者該項研究的主要合作者包括清華大學薛其坤院士和中科院苏州纳米所的杨辉研究員 

  該工作得到了國家自然科學基金、湖南省自然科學基金、江蘇省自然科學基金和中科院青促會的支持。 

   

   


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