太阳2李绍春课题组在单层1T’

近日,物理学院李绍春教授课题组利用分子束外延技术首次生长出大面积高质量的黑磷结构的单层Sb,利用扫描隧道显微镜对结构性质进行了表征,并与中国科学技术大学物理系的朱文光教授课题组合作进行了第一性原理计算。该工作以“Van
der Waals Heteroepitaxial Growth of Monolayer Sb in Puckered Honeycomb
Structure”为题于2018年12月5日在线发表于Advanced
Materials(

二维拓扑绝缘体具有量子自旋霍尔效应,有望在未来低功耗自旋电子器件具有应用前景。它的体能带是具有带隙的半导体,边界处具有拓扑保护的无带隙金属态,并具有自旋-动量锁定特性。自从量子自旋霍尔效应在HgTe/CdTe量子阱中被发现以来,研究人员正在着力寻找可以实际应用的2DTI材料。然而,寻找一种结构稳定的真正意义的二维拓扑绝缘体具有很大的挑战。2014年,MIT理论研究组在理论上预测【Qian
et al., Science 346, 1344单层的1
T’-相过渡金属硫属化合物是一类新的二维拓扑绝缘体材料。这类新的拓扑材料结构稳定,有可观的体带隙,并且其拓扑性可以被电场调控,适于构建范德瓦尔斯逻辑开关器件。

物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心的张翼教授课题组与美国伯克利国家实验室先进光源、美国斯坦福大学沈志勋研究组、美国加州大学伯克利分校的Michael
F. Crommie研究组和Feng
Wang研究组合作,实现了二维材料WSe2的分子束外延生长,并结合多种探测手段对其能带结构、表面掺杂效应及光学响应特性进行了详细的表征与研究。研究成果以“Electronic
Structure, Surface Doping, and Optical Response in Epitaxial WSe2 Thin
Films”为题于2016年3月在线发表在Nano
Letters期刊上(

近日,南京大学物理学院李绍春教授课题组与温锦生课题组、陈延彬课题组合作,利用碱金属插层的方法在Weyl半金属WTe2中实现了超导转变。该工作以“Superconductivity
in Potassium-Intercalated Td-WTe2”为题于2018年9月18日在Nano
Letters上在线发表(https:/doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b03180)。南京大学物理学院博士生朱立为论文的第一作者;李绍春教授、温锦生教授和陈延彬教授为该工作的共同通讯作者。

由于在光电器件领域的潜在应用价值,单层二维材料的研究是近年来凝聚态领域的研究热点。黑磷由于具有独特的特性曾一度受到关注。然而,黑磷在空气中不稳定,很容易分解。人们一直致力于寻找结构和性质与黑磷类似,但是化学稳定的替代材料。由于As和Sb与P处于同一主族,如果存在黑磷结构,可能会具有相似的性质,化学性质也可能会更稳定。迄今为止,单层的黑磷一直是通过机械剥离的方法获得,直接生长单层黑磷或者相似结构的其它单质材料在实验上几乎不可能。虽然已经有大量的计算工作对黑磷结构的单层Sb进行了预测,但是实验上还没有合成出高质量的单层alfa相Sb。其中一个重要的原因是alfa相的Sb体材料在自然界中并不存在。

近几年来,我校物理学院李绍春课题组一直致力于二维拓扑材料的实验探索,并成功地利用分子束外延技术在双层石墨烯衬底上生长出单层的1T’-WTe2,通过扫描隧道显微镜直接观测到一维的拓扑边界态。相关的成果已于2017年发表在Physical
Review B
(
Physics (

二维材料是近些年来凝聚态物理中的一个重要研究领域。其中以二硫化钼为代表的过渡金属硫化物在二维极限下展现出许多异于三维块材的奇异性质:例如间接到直接带隙转变、价带的自旋劈裂与完好定义的谷自由度。因此该类材料在光电器件方面有着重要的应用前景,同时也是研究自旋电子学与谷电子学的重要平台之一。

太阳2,如何在拓扑材料中调节超导相变是近年来的凝聚态物理中的一个研究热点,有望实现拓扑超导体。作为第Ⅱ类Weyl半金属的候选材料以及由于不饱和磁阻现象的发现,WTe2引起了学术界的广泛关注。2015年,南京大学物理学院的宋凤麒等人和中科院物理所的孙力玲等人通过高压手段分别在WTe2中独立发现了超导转变。随后,南京大学物理学院的孙建等人通过DFT计算发现,这种高压下的超导现象伴随着的结构相变。然而一直以来在常压下都没有观察到WTe2的超导转变。因此,是否在WTe2中存在拓扑与超导的共存仍然是一个有待回答的问题。考虑到高压下的结构相变会导致材料的拓扑性质发生变化,寻找一种有效的调控方法来获得WTe2常压超导是非常必要的。

该课题组通过分子束外延技术,成功地在WTe2衬底上制备出微米尺度的高质量单层alfa相Sb。单层alfa相Sb的成功制备得益于巧妙地利用了衬底的完美晶格匹配作用。扫描隧道显微镜测量显示多层的Sb薄膜仍然可以保持alfa相的结构。借助于扫描隧道显微谱的准粒子干涉测量技术,该课题组对单层Sb的能带结构进行了表征,发现在费米面处存在线性的色散关系。实验结果与第一性原理的计算结果符合的很好。实验上还发现alfa相Sb薄膜具有非常好的电导。令人意外的是,单层的alfa相Sb非常稳定,可以在空气中存在而不被氧化或分解。因此这种alfa相的Sb单层材料有望在未来的光电领域具有应用价值,更多的新奇性质有待进一步研究。

实验结果表明单层1T’-WTe2在低温下呈现绝缘行为,与单电子近似下的DFT计算结果并不一致。为解释这种矛盾现象,已经提出了若干种理论模型。然而,由于缺乏对单层1T‘-WTe2能带结构的精细理解,学术界对此问题还存在着争议。

相对于其他过渡金属硫化物,WSe2被预言具有最大的自旋劈裂,因此是研究自旋电子学的理想平台。但是受样品尺寸、质量和制备手段的限制,实验上缺乏对WSe2的能带结构及其他相关物性的详细研究。同时,人们也希望能够获得大面积高质量的单晶样品,并能够通过维度、界面控制及掺杂等调控手段对其能带结构做进一步人工调控。

电荷掺杂是一种相对常用而且有效的超导调控方法。该课题组采用液氨法成功地在WTe2单晶的范德瓦尔斯间隙中插入碱金属元素钾原子,获得了不同钾原子浓度的插层KxWTe2,如图所示。XRD精修结果显示,钾原子插层并没有明显改变WTe2的晶体结构,因此KxWTe2可能仍然保留了第二类Weyl
半金属的拓扑能带性质,而碱金属插层则主要起到了电荷掺杂的作用。图显示了电阻随温度变化的测量结果。随着温度下降,插层KxWTe2呈现出半金属特性,与未掺杂的WTe2一致;当温度到达~2.6
K附近时,电阻出现迅速的下降,并在~1.2
K完全降为零,表现出超导转变。施加外磁场可以观察到超导转变被抑制,如图插图所示。KxWTe2的超导性质表现出强烈的各向异性:沿平行于样品表面方向的临界磁场要比垂直方向的临界磁场大10倍左右。
这一性质与已经报道的一些超导体系相似,比如一些过渡金属二硫化物和铁基超导体。扫描隧道显微谱测量证实了超导能隙的存在,如图所示。

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近日,我校物理学院李绍春教授课题组在二维拓扑绝缘体的研究方面又取得了重要进展,他们借助高分辨的扫描隧道显微谱和准粒子干涉技术精确地表征了单层-1T’-WTe2的能带结构,确定了其为半金属型能带,解决了一直以来存在的争议。同时,他们在费米面附近观察到一个独特的能隙。通过扫描隧道显微谱实验,发现该能隙一直被钉扎在费米面处,并且可以随着费米能级的位置调控而移动。通过分析,他们发现这个能隙并不是一直以来被人们认为的自旋轨道耦合带隙,而是由于电子-电子相互作用而打开的库仑能隙。库仑带隙的打开可以有效地抑制WTe2体电导的干扰,导致低温下的绝缘行为,从而使得更容易观察到量子化的拓扑边界电导。根据安德森局域化理论,这种库仑能隙很可能也存在于其它的二维体系之中。

张翼教授与美国伯克利国家实验室先进光源和斯坦福大学的沈志勋研究组展开合作,首次利用分子束外延技术实现了单层到多层的高质量单晶薄膜WSe2在双层石墨烯衬底上的可控生长。同时,利用原位的角分辨光电子能谱技术,对其电子结构随层厚的演化进行了详细的研究。实验发现受衬底和界面的影响,单层和两层的WSe2表现出直接带隙,并且直接到间接的带隙转变发生在两层和三层之间,高质量的光电子谱还给出了单层WSe2价带的自旋劈裂大小的精确数值475
meV。另外,通过原位的表面掺杂,发现碱金属掺杂会对薄膜的能带结构产生扭曲和重整化,使得两层的WSe2又转变间接带隙。利用该高质量样品,张翼教授与加州大学伯克利分校的Michael
F. Crommie研究组和Feng
Wang研究组开展进一步合作,通过扫描隧道谱测量和光吸收谱分别测量了单层WSe2的准粒子能隙1.95
eV与光学激子能隙1.74 eV,并给出了中性激子结合能的大小0.21 eV。

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图一: 在WTe2衬底上生长的Afla相Sb单层和多层. Sb外延在WTe2上的示意图;
扫描隧道显微镜形貌图; 原子分辨形貌图; 从单层到多层Sb的dI/dV谱;
Sb薄膜的拉曼光谱测量结果。

相关研究成果于2018年10月4日以”Observation of Coulomb gap in the quantum
spin Hall candidate single-layer
1T’-WTe2”为题发表于《自然.通讯》(

这项工作的意义在于通过实验手段给出了单层到多层WSe2的详细能带结构,讨论了衬底及界面对其能带结构和激子结合能的影响,并实现了通过表面掺杂对其能带结构进行人工调控。同时大面积高质量厚度可控的单晶WSe2薄膜的制备也为将来复杂异质结与实际器件的探索与制备铺平了道路。

图1KxWTe2的STM表面形貌图。钾插层WTe2的电阻随温度变化曲线。插图:在不同的外加磁场下的电阻随温度变化曲线。KxWTe2样品表面测量的扫描隧道显微谱显示超导能隙的存在。

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特别感谢固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、国家科技部重大研究计划,国家自然科学基金面上项目、中组部青年千人计划、江苏省双创人才和六大人才高峰等项目提供的资金资助。

该项研究得到了中组部青年千人计划、美国能源部基础能源科学等基金的资助。

可以预期,常压下WTe2的超导转变将使得更多的实验测量手段可以被利用,从而为常压下研究WTe2的超导机制提供了材料基础。由于WTe2本身属于第二类Weyl半金属,钾插层的WTe2也为研究拓扑超导提供了一种新的候选材料。

图二: 单层Sb薄膜的准粒子干涉实验. 实验测得的结果; 理论计算的等能面;
理论模拟得到的JDOS图; 实验测量获得的费米面附近的能量色散关系.

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该工作得到了固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、科技部重大科学研究计划、国家自然科学基金、江苏省双创人才计划和六大人才高峰等项目的资助。

感谢物理学院陈延彬教授课题组提供了WTe2衬底样品和电输运性质的测量。感谢物理学院高力波教授课题组提供了原子力显微镜测量和拉曼测量。第一性原理计算由中国科学技术大学的朱文光教授课题组完成。该工作得到了固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、双一流建设,科技部重大科学研究计划、国家自然科学基金、江苏省双创人才计划和六大人才高峰等项目的资助。

图1. 单层WTe2 的STM形貌图和STS谱. 石墨烯上生长单层WTe2原子模型
单层WTe2原子分辨图. 单层WTe2对应的布里渊区. STS谱随空间位置的变化,
红色和蓝色箭头分别对应库仑能隙和价/导带的交叠区域. , 两个典型能量的dI/dV
maps, 准粒子干涉产生的空间波动清晰可见.

左图:单层WSe2的角分辨光电子能谱;右图:单层WSe2的扫描隧道谱

(物理学院 科学技术处)

(物理学院 科学技术处)

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(物理学院 科学技术处)

图2. 准粒子干涉图样与傅立叶变换结果.
不同能量下的准粒子干涉图案的傅立叶变换结果. 沿着Y-Γ-Y
方向的能带结构示意图. 由实验得到的Y-Γ-Y 方向的E-q 能带色散关系.

(物理学院 科学技术处)

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