低維量子結構的制備和物性研究獲系列進展

　　近日，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室國際功能材料量子設計中心與中科院強耦合量子材料物理重點實驗室教授曾長淦研究組，成功制備強關聯體系單晶納米線和原子尺度的二維范德瓦爾斯異質結，并發現其物性被維度所顯著調控。相關結果發表在《納米快報》（Nano Lett.）和《自然-通訊》（Nature Commun.）上。

　　目前一維物理領域的重心主要局限于研究空間均勻的電子相。一個有趣的問題是，對于電子相分離體系，一維限域如何調控其物理特性？在錳氧化物La0.33Pr0.34Ca0.33MnO3單晶納米線成功制備的基礎上，該團隊與陸輕鈾研究組合作，對這一問題進行了深入探索。首先發現了一維限域導致的電子輸運對序參量漲落的超敏感性，揭示了鐵磁金屬相的前驅態，即磁性納米液滴態。進一步研究發現，由于一維各向異性，在低溫強磁場（14 T）下絕緣疇仍能穩定存在，只是被壓縮成很細的條帶，從而在納米線中形成本征的隧道結，穩定一種新型的量子逾滲態。而與此相對比，低溫強磁場下塊體中的絕緣相完全轉變為鐵磁金屬相。因此，對于La0.33Pr0.34Ca0.33MnO3納米線，該團隊首次揭示了其受一維限域調制的新相圖，如圖1所示。這些新發現有助于利用低維度來調控強關聯電子相分離體系豐富的量子物性。這一研究成果發表在《納米快報》上（Nano Lett. DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b04444），博士生張凱旋為文章第一作者。

　　如諾貝爾物理學獎得主Kroemer所言，“界面即器件”，目前各種半導體器件大體都與界面結構和特性相關。單層過渡金屬硫族化合物、石墨烯、六方氮化硼(hBN)等是二維范德瓦爾斯材料家族中的重要組成部分。如果能夠把不同的二維材料堆砌起來，就可以構造原子尺度的異質結，從而設計并優化不同的器件功能。由于層狀材料之間是相對弱的范德瓦爾斯作用，層狀材料的異質外延生長與常規半導體異質外延有顯著差異，尤其體現在放松對晶格匹配的要求上。因此，原則上可以利用外延生長的方法靈活地設計并生長新穎的二維異質體系。

　　該研究團隊與美國德克薩斯大學奧斯丁分校教授施至剛研究組合作，使用分子束外延方法，首次成功制備了MoSe2/hBN/Ru(0001)異質結，如圖2所示。進一步研究發現，生長在hBN/Ru(0001)上的MoSe2準粒子能隙比生長在石墨烯或者石墨上的MoSe2的能隙小0.25 eV，源于強耦合的hBN/Ru(0001)襯底提供的靜電屏蔽效應。此外MoSe2的電子結構和功函數存在周期性的調制，調制幅度為0.13 eV。調制周期與hBN在Ru(0001)襯底的摩爾條紋周期以及相應的hBN功函數調制周期完全一致，表明這是純靜電效應。這一工作對于拓展二維范德瓦爾斯異質體系并調控其物性具有重要意義。該研究成果發表在《自然-通訊》上（Nature Commun. 7, 13843 (2016)），博士生張強為文章第一作者。

　　上述研究工作得到了國家自然科學基金委、科技部、教育部以及量子信息與量子科技前沿協同創新中心的資助。

圖1. 強關聯錳氧化物納米線不同量子態的相圖

圖2. MoSe2/hBN/Ru(0001)的掃描隧道顯微鏡圖像