北京理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)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(gè)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?cè)诔扉_關(guān)和超低功耗存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn),。如何在原子尺度上觀測(cè)手性和其動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變過程,，以及如何在CDW系統(tǒng)中實(shí)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(shí)現(xiàn)了手性電荷密度波（CDW）高空間分辨率（原子級(jí)）和快時(shí)間（us）分辨率的觀測(cè),。該工作報(bào)道了多個(gè)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(dòng)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(shí)現(xiàn)了手性轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng),，并調(diào)控隧穿電流大小實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)變速率的控制。(c) 通過外加電場(chǎng),，實(shí)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(jī)制,。除了電場(chǎng)和隧穿電子,，可在該體系中施加其它形式的激發(fā)能，如機(jī)械力,、熱,、元素?fù)诫s和激光等，來實(shí)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(shí)現(xiàn)了對(duì)手性CDW轉(zhuǎn)變的控制,，并利用電導(dǎo)實(shí)現(xiàn)超快、低功耗的信息存儲(chǔ)和讀寫的納米電子器件奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),。
圖1. 利用單電子隧穿實(shí)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(dòng)下轉(zhuǎn)變的示意圖。(b, c)電流-時(shí)間譜線顯示轉(zhuǎn)變瞬間的高低電流變化,，大的電流驅(qū)動(dòng)使得雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變更快,。(d)電流-時(shí)間譜線統(tǒng)計(jì)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(cè)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(cè)量并闡明了單層1T-NbSe2每個(gè)CDW格點(diǎn)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(chǔ)點(diǎn),。信息點(diǎn)間距為1.25nm，自旋信息存儲(chǔ)密度高達(dá)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(gè)CDW三角形亮斑區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)自旋信息存儲(chǔ)點(diǎn),。信息點(diǎn)間距為1.25 nm,，信息存儲(chǔ)密度高達(dá)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(cè)量并分析超結(jié)構(gòu)對(duì)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(jí)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(gè)周期由4個(gè)不等價(jià)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(shí)現(xiàn)了對(duì)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(gè)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(qiáng)(圖5c)。該工作發(fā)現(xiàn)層數(shù)變化可加強(qiáng)自旋相互作用,，為基于二維自旋陣列器件的設(shè)計(jì)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(gè)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(hào)明顯加強(qiáng)。
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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