双层有转角过渡金属硫族化合物异质结的新奇量子物态研究

The van der Waals heterostructures, wherein stacks of atomically thin materials are assembled to form a complex quantum system. This design means that the properties of van der Waals heterostructures can be edited not only by each layer, but also the interface. For example, the moiré pattern caused by interface angle, makes the two-dimensional heterojunction material exhibit unprecedented novel phenomena and research value, and has become one of the hotspots of condensed matter physics research. Different from the Graphene based heterostructures studied before, this project mainly focuses on the transition metal dichalcogenide heterojunction consisting of MoX2/WX2 (X=Se, S). Using scanning tunneling microscopy and transport measurement, we will study the effect of twist angle on the energy band of heterostructures; investigate the correlated electronic states such as spin-liquid states, quantum anomalous Hall insulators, superconductors and so on when the moiré flatband is partially occupied by tuning the gate voltages, and the relation between novel quantum phenomena and different twist angles. These studies will lead to insights into the physics of the correlated system, which provide the experimental model for new functional devices based on transition metal dichalcogenides.

二维材料组装的范德瓦尔斯异质结形成一个丰富的量子材料系统。基于二维异质结材料，我们不仅可以选择和编辑每层材料，还可以利用界面效应调控材料的物性，探索其潜在的应用价值。最近，界面转角相关研究取得了突破性的进展，使得二维范德瓦尔斯异质结展现出前所未有的新奇量子现象和研究价值，成为了当前凝聚态物理研究的热点之一。不同于较多采用的石墨烯基异质结系统，本项目基于转角TMD异质结WX2/MoX2(X=Se, S)，利用扫描隧道显微镜和电输运测量方法，揭示不同转角对TMD异质结平带的影响；探测门电压调控费米面,孤立莫尔平带在不同电子填充下可能出现的电子关联引起的如莫特绝缘相、自旋液体态和超导等新奇物态；并且将研究转角引起的莫尔格点上电子的跃迁和库仑作用的竞争机制及随角度变化规律。本项目为理解电子关联体系背后的物理机制，探寻二维硫族化合物相关的量子功能器件提供必要的实验基础。

二维过渡金属硫族化合物材料,比如最具代表性的二硫化钼，是二维材料中最有希望应用于纳米器件和柔性器件的材料之一。他们还可以组成异质结材料，这种结构制备灵活，既可以保留原材料的优点，又可以相互弥补缺点，用于探索新现象和新的应用功能。.本项目结合扫描隧道显微术，角分辨光电子能谱仪，x射线光电子能谱分析，分子束外延和密度泛函理论计算等方法，从原子尺度研究了二硫化钼和石墨烯组成的异质结及半金属性质的过渡金属硫族化合物碲化镍的结构和电子性质。获得的重要结果如下：1.发现了二硫化钼和石墨烯异质结的超润滑性质，扫描隧道显微镜针尖可以轻易操控二硫化钼实现平移、切割、堆叠。利用此操控可以调控二硫化钼的电子性质，有望人工设计二硫化钼/石墨烯基器件。2.对于二硫化钼石墨烯异质结，在垂直方向上石墨烯提供了一个很好的衬底屏蔽了下面金属的电荷掺杂，获得二硫化钼的本征带隙，横向异质结方向由于能带弯曲表现出逐渐变化的能隙，这些特征有助于二硫化钼/石墨烯异质在光电子学器件方面的应用。3.揭示了过渡金属硫化物碲化镍中由碲的5p轨道组成的第二类狄拉克锥和能带反转引起的多个拓扑表面态，并且费米面附近的两个拓扑表面态还具有自旋极化性质，有望应用于自旋器件。4.识别了碲化镍中的五种常见点缺陷，发现各缺陷在不同化学环境下的形成能的变化规律。此外发现缺陷对拓扑表面态有掺杂作用，进而可以通过控制化学环境调控缺陷类型来调控掺杂。5.利用直接碲化金属的方法成功生长碲化镍，发现了随着覆盖度变化的碲化镍的相变，和类似β型的碲膜。.本项目的研究为更多的二维过渡金属硫族化合物组成的异质结的研究提供了实验基础，同时丰富了对半金属性质的过渡金属硫族化合物的认识，有助于深入研究过渡金属硫族化合物及其组成的范德瓦尔斯异质结的更多新奇物性。