过渡金属二硫族化合物中电荷密度波的应力调控研究

Transition metal dichalcogenides (TMD) belong to typical two-dimensional materials and lots of them, e.g. TaS2 and TiSe2 have charge-density-wave (CDW). Controlling of CDW is one of hot research topics in condensed matter physics. Recent studies show that the chemical doping and external electrical field can change the CDW phase transitions. As we know, strain can effectively change the structure of low-dimensional TMD with one or several layers and thus control the CDW. In this project, we focus on the study using first-principles calculations on the crystal structure, band structure, phonon spectrum, and electron-phonon coupling of TMD under strains. From the systematical study of strain effect on the properties, we can figure out the rules of the controlling of strain on CDW. We also predict the strain-induced superconductivity and study the relation between that and CDW. The study of this project can give some basic understanding of the physical origin of CDW and also can guide the experimental applications of TMD in the low-dimensional electronics based on CDW.

过渡金属二硫族化合物是典型的准二维层状材料，其中诸如TaS2、TiSe2等材料具有电荷密度波的特征。调控各种电荷密度波相变以及研究其起源一直是凝聚态物理的研究热点之一。最近的研究表明，化学掺杂、外电场都可以调控该类材料中的电荷密度波。而对于厚度只有单个(或几个)分子层的低维材料，施加应力可以更方便地改变其微结构，进而有效调控电荷密度波。本项目主要是利用第一性原理计算研究应力调控下的低维过渡金属二硫族化合物的晶体结构、能带结构、声子谱以及电声子耦合等性质。通过系统地研究不同应力方向、大小等对该类材料性质的影响，总结应力对电荷密度波的调控规律性，探讨电荷密度波的物理起源。我们还将对可能的应力诱导的超导电性进行理论预言，研究同电荷密度波之间的关联性。通过本项目的研究，可以为深入理解电荷密度波的物理起源提供基础，也能为实验上将该类材料应用在基于电荷密度波的低维电子学器件中提供一定的指导。

过渡金属二硫族化合物MX2是一类具有电荷密度波的准二维材料，但其电荷密度波的物理起源仍然存在着争议。进一步探索对单层/少层MX2材料中电荷密度波的有效调控方法并弄清其微观机理，对于未来该类材料应用于基于电荷密度波的低维电子器件有重要意义。本项目选择了一些典型的MX2材料包括1T-TiSe2、1T-VSe2、1T-TaS2、2H-TaSe2和4Hb-TaS2等，进行了系统的电子结构、声子谱和电声子耦合性质的计算，研究其电荷密度波与微结构的关联性。并重点研究了应力对上述单层材料中电荷密度波的调控规律和物理机制。同时结合电输运和扫描隧道谱的实验，系统深入地研究了电荷密度波的微观物理起源。通过本项目的研究，我们澄清了MX2材料的电荷密度波不是起源于费米面嵌套，而发现强的电声子耦合效应对电荷密度波的形成具有决定作用。我们的研究结果也证实了除了载流子掺杂和外电场，应力是调控低维材料中电荷密度波更为有效的手段。此外我们的研究结果也揭示出层间堆垛结构和过渡金属的d电子强关联效应共同决定了MX2材料的基态电子性质。本项目的研究可以为深入理解电荷密度波的物理起源提供基础，也能为实验上将该类材料应用在低维电子学器件中提供一定的指导。本项目的研究工作已取得系列进展，相关研究成果在Phys. Rev. Lett.、Phys. Rev. B、Nano Lett.等期刊上发表论文10篇。