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潘明虎教授团队在二维材料外延生长及界面调控研究领域取得重要进展
发布时间:2019-07-15

7月9日,纳米材料科学权威期刊《Nano Letters》在线发表了我院潘明虎教授题为《钛酸锶衬底上强烈压缩的寡层SnSe2薄膜:电荷序与增强的界面超导共存》(Strongly Compressed Few-Layered SnSe2Films Grown on a SrTiO3Substrate: The Coexistence of Charge Ordering and Enhanced Interfacial Superconductivity)的研究论文。文章揭示了异质结界面效应可以有效实现薄膜面内强的压缩应力并引起界面超导增强。

电荷密度波(Charge density wave,CDW)作为一种基态,在转变温度TCDW以下会表现出电荷密度的周期性调制,这将使得材料的电子结构在费米能级处打开能隙。这类CDW材料可以通过改变环境温度或施加外场诱导发生相变,从而引起电子性质的剧烈改变,因而有望用于制造新型电子器件,如振荡器,非易失性存储器等。最近的高压实验发现,在Ⅳ-Ⅵ族层状金属二硫属化物SnSe2中,当施加的压强高于17 GPa时,存在一个类似于电荷密度波转变的周期性晶格畸变的行为。然而,由于高压实验的严苛条件,阻碍了其他实验手段对其物理机制展开进一步研究。随着薄膜生长技术的日益成熟,通过界面工程对薄膜引入压缩应力成为可能。因此,通过异质结工程制备具有强面内压缩应力的SnSe2薄膜的实验探索工作亟待开展。另一方面,近期的研究发现,通过门电压调节SnSe2块体中的载流子浓度,或是利用石墨烯衬底与SnSe2功函数的差异,实现SnSe2/graphene异质结中的界面电荷转移,均可以实现界面超导性。

我院潘明虎教授与北京应用物理与数学研究所的张平教授开展合作,成功地在SrTiO3衬底上实现连续、层数可控的SnSe2薄膜的分子束外延生长。通过扫描隧道显微镜及拉曼测量证实,薄层SnSe2薄膜中存在强的面内压缩应力(单层薄膜中的压缩应力等效于23 GPa),这主要来源于衬底与薄膜间的界面应力效应。强的面内压缩应力将导致2×2电荷序的形成,进而造成费米能级附近态密度的减少,这与过渡金属二硫属化物中的CDW能隙非常相似。随着层厚增加,能带整体向占据态移动,意味着相比于厚的薄膜,薄的薄膜有更多的电荷注入,表现出明显的界面电荷转移行为。伴随着应力释放,双层薄膜中出现1×1相和2×2电荷序共存的现象。结合空间分辨的扫描隧道谱测量和第一性原理计算,我们发现界面超导性仅存在于1×1区域,超导转变温度为8.3 K,相比于石墨烯基底,增强的界面超导主要由于费米能级处具有更高的电子浓度,这是薄膜中压缩应力效应以及界面电荷转移共同作用的结果。

该成果为进一步研究应力诱导的电荷序(单层)以及电荷序与界面超导间的相互作用(双层)提供了崭新的研究平台。同时,我们的实验也开辟了一条制备具有强面内压缩应力的二维材料的途径,通过外延生长于SrTiO3衬底上,有望在二维材料诱导出更高Tc的超导性。

我院博士生邵志斌和李少剑分别为论文第一作者及共同第一作者,北京应用物理与数学研究所付振国为本文提供了理论计算支持。潘明虎教授和北京应用物理与数学研究所的张平教授为论文共同通讯作者。该论文链接:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.9b01766

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