6月29日，《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）在线刊发了付英双教授领导的低维物理与量子材料团队的最新研究成果，文章题为《发现并操纵Sb2O3超薄分子晶体中的范德华极化子》（Discovery and manipulation of van der Waals polarons in Sb2O3ultrathin molecular crystal）。我院博士生张志豪（已毕业）和中国人民大学物理系博士生伍琳璐为共同第一作者，付英双教授和中国人民大学季威教授为论文的通讯作者，华中科技大学为第一单位。我院博士生缪茂朋、团队成员张文号副教授以及华中科技大学材料学院翟天佑教授等合作参与了相关工作。
在原子尺度上操纵单个电子对于理解和掌握由单电子转移所控制的复杂表面过程至关重要。极化子是由材料内的额外电荷在电声耦合作用下被束缚在局域晶格畸变处而构成的复合准粒子，是操纵单电子的理想媒介。特别是小极化子，通过短程电声耦合作用，可引起局部晶格畸变，其大小通常为一个原子晶格周期，从而能够实现单电子的原子尺度操纵。极化子在物理、化学的各个领域都发挥着重要作用，影响着电荷输运、氧化还原反应、催化、分子结构和能量存储等。因此，研究单个极化子，除了实现单电子操纵外，对于理解上述物理、化学过程的机理也至关重要。
极化子主要存在于由共价键或离子键结合的材料体系中，如过渡金属氧化物、卤化物，钙钛矿和有机聚合物等。最近，人们发现非共价相互作用，如色散吸引力和泡利排斥力，可跨过范德华间隙提供强电子和振动耦合，这种键合作用被称作准键。探索额外电子能否通过范德华间隙中的这种准键而稳定存在，进而产生极化子，具有重要意义。
图1：Sb2O3薄膜中的范德华极化子。
付英双团队通过分子束外延技术在在石墨烯覆盖的SiC(0001)衬底上生长了无机分子晶体Sb2O3超薄薄膜。通过扫描隧道显微镜（STM）的表征，团队在单层至三层Sb2O3薄膜中发现了一种新型极化子—范德华型极化子。与之前的分子极化子不同，此类极化子占据了Sb2O3分子晶体的间隙晶格位点，表现出独特的极化子态和局部向上的能带弯曲。密度泛函理论计算显示，尽管分子间的吸引力是由范德华作用主导的，但是导带底是一种分子间成键态，能够通过缩短局部的分子间距离捕获一个额外的电子，进而形成分子间范德华极化子（图1）。
图2：极化子的擦除、移动和产生。
除此之外，在受控的电子束辐照下，能够产生大量的极化子。利用STM的针尖电场，则可以实现单个极化子的多种有效操纵，包括单个极化子的产生、移动和擦除（图2）。针尖电场为极化子的移动提供了驱动力，而非弹性电子隧穿效应则导致了极化子的擦除。本研究在分子晶体中发现了一种由范德华相互作用主导的分子间振动耦合稳定的新型极化子，并利用STM针尖操纵技术对其进行有效操纵，为设计原子尺度的电子转移过程铺平了道路，并使精确调控与电子相关的性质和功能成为可能。该工作是团队在继单层过渡金属卤化物实现单个极化子操纵（Nat. Commun. 14, 3691(2023)）突破后的又一进展。
论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.4c04450
