【聚焦“雙一流”】《Phyiscal Review Letters》雜志報道我校單磊教授團隊利用STM/STS證實2H-TaxNb1-xSe2中存在非彈性電子隧穿過程

發布時間:2020-03-15

本網訊(物科院 施春霖)313日,物理學科國際權威學術期刊《Phyiscal Review Letters》報道了量子材料與物理研究所單磊教授團隊與中科院合肥強磁場中心郝寧研究員理論團隊、朱相德研究員等人合作,利用低溫強磁場掃描隧道顯微鏡/譜儀(STM/STS一種典型的過渡金屬硫族元素化合物(TMD)― 2H-NbSe2進行探測研究。通過對該體系的高分辨隧道譜測量和理論分析,證實了該體系存在非彈性電子隧穿過程,從而在原子尺度上指認出系統的電聲子耦合譜函數。

1(a) 非彈性電子隧穿過程示意圖;(b)(d) 對應的I-VdI/dVd2I/dV2曲線示意

 

固體材料中的元激發是凝聚態物理的重要概念和研究對象,聲子是集體激發中最具典型的代表。聲子特性和電聲子相互作用等在材料的熱學性質、電學性質,甚至在超導和電荷密度波等量子有序態的形成過程中扮演了至關重要的角色。當材料中存在比較強的電聲子相互作用時,STM針尖與樣品之間有可能發生非彈性電子隧穿過程(圖1),即隨著隧道偏壓的增大,電子具有足夠的能量后可以通過激發材料中的聲子而降低能量,打開新的隧穿通道,導致隧穿幾率增大,表現為隧道結IV曲線上出現斜率的突然增大,相應地,dI/dV曲線上出現一個臺階,二次微分d2I/dV2曲線上出現一個峰的特征(在負偏壓則為谷)。理論指出,二次微分曲線與電聲子耦合譜函數α2F(ω)近似成正比,因此,這種基于STM的非彈性電子隧穿譜(IETS)方法可以用于原子尺度上電聲子耦合的研究。但是,由于實驗上對高分辨率的要求和材料本身的特性限制,目前成功的案例局限于十分有限的固體材料,比如石墨或石墨烯、金屬銅等。

過渡金屬硫族化合物(TMD)是二維材料的重要分支,具有可調的本征帶隙、谷自由度等特性,在電學、光學、自旋電子學等器件領域具有巨大的應用前景。2H-NbSe2是一種典型的TMD材料,作為電荷密度波(CDW)與超導共存體系的代表,它也是被STM研究最為廣泛的材料之一(圖2a)。近30年以來,該體系隧道譜上±35mV處拐點的起因一直困擾著該領域的研究者,也成為理解CDW機制的障礙(圖2b)。研究團隊通過低溫強磁場STM/STS進行了高分辨的隧道譜測量,發現其隧道譜上±35mV以內存在復雜的精細結構(圖2c)。通過在材料中Ta得到2H-TaxNb1-xSe2壓制體系中的CDW,發現精細結構仍然存在,排除了此前CDW能隙的解釋。隨后,通過計算電聲子耦合譜函數,并提出一個簡明的理論模型,證實這些精細特征(包括令人困惑的±35mV拐點)來自于非彈性電子隧穿過程(圖2 d-f)。這個物理圖像成功解釋了所有實驗數據,包括譜形對溫度和磁場的依賴,同時也使得研究者在實驗上成功演示了原子臺階對電聲子耦合和超導電性的不同效應。

2:(a2H-NbSe2原子圖像;(b)隧道譜上±35mV拐點(箭頭所示);(c)隧道譜上精細結構(箭頭所示)

d)(f) 實驗得到的二次微分譜與計算得到的聲子態密度和電聲子耦合譜函數的比對

 

項工作把微觀尺度電聲子耦合的研究拓展到了倍受關注的TMD材料中,從而可以方便地剪裁和構筑各種結構(包括低維)和器件進行電聲子耦合的深入研究,也為了解電聲子耦合對TMD材料與器件性能的影響提供了途徑,是我校“雙一流”建設主學科方向“功能材料與器件”的重要進展,安徽大學物質科學與信息技術研究院為本文的第一通訊單位。


文章鏈接:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.106403

 


 


 


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