二维过渡金属硫化物光致金属-绝缘体相变研究

Despite intense research interest in the 2H-1T’ phase transition of two dimensional Group VI transition metal dichalcogenides in recent years, limited research effort has been made on studying and understanding the transition process in the framework of electronic phase transition. Using laser pulse to control the metal-insulator transition in these materials and conducting time-resolved spectroscopy study on the transition process promises understanding on the driving mechanisms of the phase transition as well as the underlying physics of the interaction between different degrees of freedom in the system including carriers dynamics and lattice vibration. This project proposes to employ ultrafast laser pulse with high enough fluence to control the metal-insulator transition in two dimensional Group VI transition metal dichalcogenides and to use the well-developed time-resolved optical spectroscopy techniques and angular resolved photoelectron spectroscopy to characterize the transition process. The obtained information on technical conditions to control metal-insulator transition, key characteristics of transition process(including initiation, development, and recover processes), and proposed comprehensive physical picture of phase transition process will provide theoretical guides towards application in information storage and processing.

二维VI族过渡金属硫化物材料的2H-1T’相变近年来受到极大关注，但从电子能带结构角度研究该材料体系中的相变的工作还比较有限。使用光激发控制该材料体系的金属-绝缘体相变并对相变过程进行时间分辨光谱研究，不仅可以揭示相变的物理机制，同时也有助于深入理解该二维材料体系中电子，晶格振动等自由度的相互作用的物理内涵。本项目拟通过高能量密度的激光脉冲控制二维VI族过渡金属硫化物材料的金属-绝缘体相变，通过成熟的时间分辨超快光谱技术和角分辨电子能谱技术对相变过程进行研究，掌握控制光致金属-绝缘体相变技术条件，相变过程（包括触发，发展，恢复）的关键特征，并提出描述相变过程机理的完整物理模型，为二维VI族过渡金属硫化物材料在超快信息存储和处理器件等方面的应用提供理论依据。

光致相变是凝聚态物理学中的一个热门研究方向，不仅是因为它在基础物理层面能够在时域上分辨材料体系中不同自由度的演化，还因为在应用领域能在超快的时间尺度上操控材料的性质。二维的过渡金属硫化物是近年来被广泛研究的一类二维材料。其中，除已经被熟知的具有电荷密度波（charge density wave，CDW）相变性质的材料（如TaS2，TiSe2等）之外，VI族化合物具有半导体态的2H相和金属态的1T’相。因此研究这类材料的光致相变在基础物理和实际应用方面都具有很大的价值。.在本项目的研究中，我们使用飞秒激光对材料样品进行激发，利用瞬态吸收光谱（泵浦探测技术）来表征材料中载流子和晶格随时间的演化规律，及样品在强光激发下可能的相变过程，进而研究二维TMDC材料光致相变的发生条件和机理。研究获得了可见光范围内二维TMDC样品的相干声子和瞬态吸收光谱，及其在强飞秒光激发下的演化行为。在一定激发光功率密度范围内观察到样品瞬态光学性质的可逆改变，并对其机理进行了分析。本项目的研究工作能够增进对于二维TMDC相变性质的认知和理解，在一定程度上显示了其作为超快全光（开关、逻辑、存储等）器件的应用潜力。同时也为使用超快瞬态吸收光谱和相干声子光谱从能带和晶格结构角度同时研究其他相变材料的光致相变过程和机理积累了宝贵经验。