过渡金属硫族化合物纳米片二维输运特性及调控研究

Recently, the transition metal dichalcogenides (TMDs) with electron strong correlations have attracted tremendous attention due to their rich physics and promisingly potential applications. Although intensive studies have been performed, many behaviors have not been well understood yet. In this project, our research will focus on the ternary TMDs which exhibit numerous novel phenomena, such as superconductivity,charge density wave and quantum phase transitions, due to the complex couplings among the electron, spin, orbit and structures. We will strive to investigate these complex couplings in ternary TMDs at nano-scale, combining with innovative nanofabrication and electronic measurement techniques in order to investigate the properties of electronic states and search for novel 2D ternary TMDs materials. The electric transport measurements will be performed on TMDs nanoplates obtained by exfoliating the bulk crystals. Through these studies, the information about the thickness-dependent interlayer couplings will be obtained. We will also investigate the transport behaviors of nanoplates under electrical field and high pressure to explore the field-tuned exotic quantum behavior, including the quantum phase transitions, superconductor-insulator transitions, new superconductors and so no. These studies will be not only helpful to understand the complex coupling and the competitions and coexistences among different ordering states in the layered TMDs, but also allow us to explore the new quantum phenomenon. The proposed work is expected to shed new light on the nature of quantum phenomenon in TMDs, and providing chance to exploring new quantum phenomenon in TMDs at nano-scale .

过渡金属硫族化物由于准二维结构特点，以及电荷、自旋、轨道和结构间的相互作用，呈现出丰富的物理现象，例如超导电性、电荷密度波以及各种有序态的竞争与共存等。深入认识这些现象背后的物理机制一直是凝聚态物理研究中的重要课题。本项目将以三元过渡金属硫族化物二维纳米片为研究对象，从纳米尺度上对这些材料中的各种有序态和关联作用展开研究。项目将通过机械剥离块体单晶获得不同厚度的纳米片，结合微纳加工技术对纳米片的电输运行为进行测量，获得各种关联相互作用与样品厚度以及温度、磁场的依赖关系。同时结合磁电场、压力等多种手段对纳米片输运特性进行调控，探索由于维度变化、电场和压力调控可能导致的其他量子相变和新奇量子行为。相关研究结果对深入认识过渡金属硫属化合物中的各种相互作用、各种有序态之间的竞争与共存现象具有重要的意义，也将为从纳米尺度上研究强关联电子体系提供重要的实验基础。

过渡金属硫族化物由于准二维结构特点，以及电荷、自旋、轨道和结构间的相互作用，呈现出丰富的物理现象。深入认识这些现象背后的物理机制一直是凝聚态物理研究中的重要课题。本项目以过渡金属硫族化物二维纳米片为研究对象，从纳米尺度上对这些材料中的各种有序态和关联作用展开研究。项目通过机械剥离块体单晶获得不同厚度的纳米片，结合微纳加工技术和多种极端实验条件对纳米片的电输运行为进行测量，探索由于维度变化、电场和压力调控可能导致的其他量子相变和新奇量子行为。项目在执行期间，对多种过渡金属硫属化合物体系二维纳米片开展了研究，包括三维拓扑半金属ZrTe5，Cd3As2，NbSi3Te6等。包括（1）在层状化合物ZrTe5中，首次给出了纳米片中存在三维拓扑相的实验证据；观察到了ZrTe5纳米片中厚度调控的能带变化，以及强磁场诱导的拓扑量子相变。（2）在狄拉克半金属Cd3As2纳米结构中，通过非局域电输运测量的方法观察到表面态费米弧，给出一种探测拓扑半金属费米弧表面态的新方法；给出了三维拓扑半金属中存在平面霍尔效应的直接证据等。）（3）通过对NbSi3Te6纳米片在强磁场下的量子输运特性研究，给出了该体系为拓扑半金属的直接证据。（4）通过新材料探索，发现了几种具有新的拓扑量子材料，包括具有独特能带结构的新拓扑狄拉克半金属材料——立方相PtBi2和包含三重简并点费米子的层状PtBi2等。相关研究结果对深入认识过渡金属硫属化合物中的各种相互作用、各种有序态之间的竞争与共存现象具有重要的意义，也将为从纳米尺度调控过渡金属硫族化物电子体系提供新的机遇。相关研究结果目前已在Nat. Commun.、 Phys. Rev. Lett.、 Phys. Rev. B、 Appl. Phys. Lett.等杂志发表论文13篇发表。