探索关联层状化合物中的新型超薄材料

The discovery of a novel functional material, promotes the development of society. Ultra-thin material, the low-dimensional material with only a few or one atomic layer, is an important direction for searching new functional materials. Here, we will explore new ultra-thin material in binary and ternary correlated layered compounds by using the film-growth technique. Meanwhile, by using the angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) technique, we will study the novel electronic states of these ultra-thin films and further understand their origin. By finding proper substrate and designing new hetero structures, we can in turn regulate and improve the physical properties of thin films. Our research will not only deepen our understanding on the basic physical problems such as electronic correlation effect, scale effect, interface effect and so on, but also provide an experimental foundation for searching new functional materials.

新型功能材料的发现，对社会的进步起重要推进作用。超薄材料是指厚度仅有几个原子层甚至单个原子层的低维系统，是寻找新型功能材料的一个重要方向。我们将以二元和三元层状关联材料为基础，利用薄膜生长和制备技术，探索和制备新型的超薄材料，寻找新的奇异关联电子态。同时，通过结合角分辨光电子能谱实验技术，来表征关联超薄材料中的电子态，并理解其形成机理。最后，通过衬底选择和设计超薄薄膜异质结构，有目的性地来调控并改善关联超薄材料的物理性质。我们的研究，不仅可以加深我们对于电子关联性、材料尺度、界面效应这些基本物理问题的理解，同时，对新型功能材料的探索和应用提供重要的实验基础。

探索新功能材料是推动凝聚态物理研究的重要驱动力。其中超薄二维材料是一个重要的研究方向。超薄二维材料是指厚度仅为几个原子层甚至当个原子层的低维材料。一方面，超薄二维材料可以做成柔性或是超微型电子原件，在应用上具有很大的前景。另一方面，超薄二维材料具有丰富的物相，其中包括电荷密度波、超导、Mott绝缘体、拓扑绝缘体等。因为二维材料结构简单，可调控性强的特点，研究超薄二维材料可以帮助我们理解许多凝聚态物理中关键的物理问题。在本项目的支持下， 我们自主设计并搭建了分子束外延薄膜生长设备和注重原位调控的角分辨光电子能谱系统。整个系统不仅在各项指标上达到了国际先进水平，同时极大提高了我们对超薄二维材料调控和探测的自由度。利用这一系统，我们在超薄二维材料的研究中取得了多个研究成果。首先，我们对铁基高温超导材料进行了研究。单层FeSe薄膜具有很高的超导转变温度，其中超导和向列序机制都还存在争议。我们对FeSe材料进行了原位掺杂和加压的调控，并测量了其电子结构的响应。我们的结果揭示了超导和向列序形成的背后机理。同时，我们对Sr1-xNaxFe2As2超导材料中的C4磁有序相的形成机理进行了研究，发现C4磁有序相和超导具有很紧密的联系。另一方面，我们对多个过渡金属二硫族化合物体系进行了研究。这一类体系是目前研究最为广泛的超薄二维材料体系。我们研究了1T-TaS2中的金属绝缘体相变，我们发现其相变机制不能简单的用Mott相变或是皮尔斯相变来解释。需要同时考虑电子关联和电子层间跃迁。我们研究了2H-MoTe2中的表面掺杂效应。通过表面掺杂，我们人为构造了一层超薄的二维电子气。我们发现其具有较强的电声子相互作用和可能的电荷密度波相。另外当掺杂浓度高的时候，我们发现体系经历了结构相变，从2H结构转到了1T结构。我们研究了1T结构的电子结构，发现其与理论预言的能带结构存在着较大的出入。我们的实验对于理解超薄二维材料中电声子相互作用、电子关联性、金属半导体界面等问题提供了重要的研究线索。