蘇州納米所Nano-X在界面誘導(dǎo)的電荷密度波研究方面取得合作進(jìn)展
電荷密度波是一種宏觀量子現(xiàn)象,表現(xiàn)為晶體中電荷密度的周期性調(diào)制,廣泛存在于如過渡金屬硫族化合物等低維量子材料中,在光電子和量子信息等方面有著重要的應(yīng)用前景。作為固體電子系統(tǒng)中的一種集體凝聚現(xiàn)象,電荷密度波的微觀機(jī)理和調(diào)控一直是凝聚態(tài)物理研究領(lǐng)域備受關(guān)注的前沿課題。最近,清華大學(xué)物理系宋燦立、馬旭村和薛其坤研究團(tuán)隊(duì)與中科院蘇州納米所納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站(Nano-X)李坊森副研究員等合作,開展了低維過渡金屬硫族化合物薄膜中電荷密度波的調(diào)控研究。
利用分子束外延技術(shù)在石墨化的SiC(0001)襯底上成功制備出高質(zhì)量的1T-ZrSe2和1T-ZrTe2半導(dǎo)體薄膜,并結(jié)合低溫掃描隧道顯微鏡/譜以及角分辨光電子能譜對(duì)其形貌和電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了原位測量。通過對(duì)樣品厚度和摻雜的精確調(diào)控,他們在超薄ZrSe2和ZrTe2薄膜中發(fā)現(xiàn)了界面誘導(dǎo)的半導(dǎo)體-金屬相變,并首次在該類材料中觀察到了2 × 2的電荷密度波調(diào)制(如左圖所示)。進(jìn)一步研究表明,ZrSe2和ZrTe2電荷密度波相的電子結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)電荷密度波材料1T-TiSe2顯著不同,具有非常簡單的費(fèi)米面(右圖)。在布里淵區(qū)中心Γ點(diǎn)沒有任何能帶穿越費(fèi)米能,只在布里淵區(qū)的角上M點(diǎn),存在源于Zr-4d軌道的電子型費(fèi)米面。相似的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也存在于基于1T-SnSe2半導(dǎo)體薄膜的異質(zhì)結(jié)體系中(Phys. Rev. B 102, 241408 (2020))。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,過渡金屬硫族化合物費(fèi)米面上單一電子型口袋就足以產(chǎn)生電荷密度波,這對(duì)理解其電荷密度波機(jī)理具有重要意義。
左圖: 雙層1T-ZrSe2薄膜中的2 × 2電荷密度波調(diào)制。右圖: 單層ZrSe2薄膜的能帶結(jié)構(gòu)。
該研究成果以《Semiconductor-Metal Phase Transition and Emergent Charge Density Waves in 1TZrX2 (X = Se, Te) at the Two-Dimensional Limit》為題發(fā)表在2022年1月3日的《Nano Letters》上。清華大學(xué)物理系博士后任明強(qiáng)為第一作者,通訊作者為清華大學(xué)宋燦立副教授、馬旭村研究員、薛其坤教授以及中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所的李坊森副研究員。合作者還包括北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所的張平研究員和鄭法偉副研究員。該成果獲得了國家自然科學(xué)基金、國家科技部、蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所Nano-X等部門的經(jīng)費(fèi)支持和幫助。
此合作研究結(jié)果充分發(fā)揮了納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站在低維量子材料基礎(chǔ)研究的重要作用,目前實(shí)驗(yàn)站已可實(shí)現(xiàn)量子材料的原子級(jí)精確可控生長,原子級(jí)形貌和電子能帶互聯(lián)測試表征,與半導(dǎo)體工藝結(jié)合,有望開發(fā)低維量子材料原位器件。

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