北京理工大學(xué)團隊在?手性電荷密度波雙穩(wěn)態(tài)的可逆轉(zhuǎn)變方面取得最新研究成果
發(fā)布日期：2022-04-08 供稿：集成電路與電子學(xué)院
編輯：李曉雨 審核：武楠 閱讀次數(shù)：
近日,，北京理工大學(xué)集成電路與電子學(xué)院劉立巍副教授,，王業(yè)亮教授團隊在Nat.Commun. 13, 1843(2022)發(fā)表最新研究成果,，文章第一作者為宋璇、劉立巍,，通訊作者為劉立巍,、王業(yè)亮，通訊單位為北京理工大學(xué),。
手性是指一個物體或狀態(tài)的特性不能與它的鏡像重合,。電荷密度波(CDW)及其手性的轉(zhuǎn)變在超快開關(guān)和超低功耗存儲器中具有非常重要的應(yīng)用前景。但CDW手性在原子尺度上的可逆調(diào)控從未實現(xiàn),。如何在原子尺度上觀測手性和其動態(tài)轉(zhuǎn)變過程,，以及如何在CDW系統(tǒng)中實現(xiàn)可逆的手性調(diào)控，面臨巨大的挑戰(zhàn),。
在本工作中,，劉立巍副教授、王業(yè)亮教授等指導(dǎo)博士生宋璇等,，利用分子束外延技術(shù)在雙層石墨烯上構(gòu)筑了高質(zhì)量的單層NbSe2,，實現(xiàn)了手性電荷密度波（CDW）高空間分辨率（原子級）和快時間（us）分辨率的觀測。該工作報道了多個新穎的現(xiàn)象：(a) 在CDW手性轉(zhuǎn)變前后頂層Se原子晶格的排列連續(xù)且完整,。(b) CDW超晶格的手性變化十分迅速,，動態(tài)轉(zhuǎn)變過程中存在亞穩(wěn)態(tài)。利用單電子隧穿作用實現(xiàn)了手性轉(zhuǎn)變的驅(qū)動,，并調(diào)控隧穿電流大小實現(xiàn)了轉(zhuǎn)變速率的控制,。(c) 通過外加電場，實現(xiàn)了手性CDW可逆轉(zhuǎn)變,。
這些在原子尺度的重要發(fā)現(xiàn),，有助于理解二維材料中手性CDW轉(zhuǎn)變的過程和機制。除了電場和隧穿電子,，可在該體系中施加其它形式的激發(fā)能,，如機械力、熱,、元素摻雜和激光等,，來實現(xiàn)CDW超晶格的手性轉(zhuǎn)變。非常有趣的是,，NbSe2島的手性CDW在室溫以上可穩(wěn)定存在,，這一特性有利于手性CDW的納米器件在室溫環(huán)境中的應(yīng)用,。該研究實現(xiàn)了對手性CDW轉(zhuǎn)變的控制，并利用電導(dǎo)實現(xiàn)超快,、低功耗的信息存儲和讀寫的納米電子器件奠定了堅實基礎(chǔ),。
圖1. 利用單電子隧穿實現(xiàn)了CDW陣列雙穩(wěn)態(tài)可逆轉(zhuǎn)變。(a)CDW陣列在電流驅(qū)動下轉(zhuǎn)變的示意圖,。(b, c)電流-時間譜線顯示轉(zhuǎn)變瞬間的高低電流變化,，大的電流驅(qū)動使得雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變更快。(d)電流-時間譜線統(tǒng)計擬合,，滿足隧穿電流與轉(zhuǎn)變幾率的線性關(guān)系,，證明了單電子隧穿過程。
2021年以來,，劉立巍副教授以第一或通訊作者身份還發(fā)表了Nat. Commun. 1篇,，2D Materials 1篇，ACSNano 1篇,，J. Phy. Chem. Lett.1篇,，Prog. Surf. Sci.1篇，Nano Res.2篇,。其中與CDW相關(guān)的工作如下：
（1）構(gòu)筑出高質(zhì)量的單層NbSe2納米島,，測量并分析電荷密度波和自旋極化的關(guān)聯(lián)效應(yīng)。
研究了莫特態(tài)的上哈伯德能帶(UpperHubbard Band,，UHB)和CDW的
軌道之間的空間反相分布關(guān)系,，測量并闡明了單層1T-NbSe2每個CDW格點在UHB態(tài)的能量具有自旋極化特性，可作為低功耗的信息存儲點,。信息點間距為1.25nm,，自旋信息存儲密度高達480 Tb/inch2 (每平方英寸480兆兆比特)。
(Nat. Commun. 12, 1978 (2021),；https://www.nature.com/articles/s41467-021-22233-w)
圖2. (a)單層NbSe2的周期性圖案(密排六方結(jié)構(gòu)),，每個CDW三角形亮斑區(qū)域為一個自旋信息存儲點。信息點間距為1.25 nm,，信息存儲密度高達480 Tb/inch2,。(b)隨幾何結(jié)構(gòu)周期性排布的自旋電子態(tài)。(c)能帶積分圖,，表明+0.2 V為自旋極化電子態(tài),。
（2）構(gòu)筑出一維CDW超結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的電子態(tài)超結(jié)構(gòu)，測量并分析超結(jié)構(gòu)對哈伯德自旋能帶的調(diào)制,。
利用分子束外延(MBE)技術(shù)構(gòu)筑了原子級平整邊界，發(fā)現(xiàn)邊界處的CDW元胞由體內(nèi)有序的CDW晶格自發(fā)地演化重構(gòu)成四聚體,。此外,，還發(fā)現(xiàn)沿邊界出現(xiàn)了反常的電子超結(jié)構(gòu)，其周期是普通CDW晶格的4倍。每個周期由4個不等價CDW組成,，并呈現(xiàn)由結(jié)構(gòu)調(diào)制的相應(yīng)電子態(tài)超結(jié)構(gòu),，實現(xiàn)了對自旋陣列尺寸和維度的深入調(diào)控。
(ACS Nano16, 1332 (2022),；https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c09249)
圖3. 一維電荷密度波四聚體超結(jié)構(gòu)與電子態(tài)超結(jié)構(gòu),。
（3）雙層轉(zhuǎn)角疊層異質(zhì)結(jié)及受調(diào)制的電子態(tài)
在單層NbSe2的研究基礎(chǔ)上，構(gòu)筑了雙層NbSe2疊層異質(zhì)結(jié),，發(fā)現(xiàn)其單層到雙層的結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致了絕緣體-金屬轉(zhuǎn)變,，即零偏壓附近出現(xiàn)了層間耦合的新電子態(tài)。該工作揭示了這兩個電子態(tài)分別呈現(xiàn)出向上和向下的自旋,，與單層相比,，雙層的自旋明顯加強(圖5c)。該工作發(fā)現(xiàn)層數(shù)變化可加強自旋相互作用,，為基于二維自旋陣列器件的設(shè)計提供了新思路,。(2D Mater. 9, 014007 (2021)；https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2053-1583/ac427f）
圖4. (a)雙層轉(zhuǎn)角疊層結(jié)構(gòu)的三維形貌圖,。(b)雙層形貌的原子分辨圖,。(c)單雙層NbSe2的微分電導(dǎo)譜，零偏壓附近的兩個電子態(tài)分別呈現(xiàn)出向上和向下的自旋,，與單層相比,，雙層的自旋信號明顯加強。
以上一系列工作圍繞二維電荷密度波CDW材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)開展全面研究,，該體系在大氣和室溫環(huán)境依然穩(wěn)定,，為基于低維CDW量子材料在電子學(xué)的應(yīng)用提供了新的思路和材料基礎(chǔ)。
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