低维量子结构的原子精度构筑和原子尺度观测领域的重要进展

facai888 科技前沿 2024-08-10 803 0 低维量子结构的原子精度构筑和原子尺度观测领域的重要进展

低维量子结构由于量子限制效应等通常展示出独特的电子、光学和磁学特性，相关应用如发光二极管、光伏太阳能电池和场效应晶体管等推动了现代技术的革命性进步。新型低维结构的原子精度的精准构筑和观测，不仅可以实现特定功能的调控和机制研究，也深化了我们对低维量子系统物理机制的理解，为下一代高性能电子和光电子器件的发展提供了新的途径。近期，德国马普所王红光团队在低维量子结构的原子精度构筑和原子尺度观测研究上取得系列进展，连续以第一作者兼通讯作者在AdvancedMaterials和NatureCommunications发文。

1.超越传统外延的新型原子精度异质界面

界面在产生新的电子行为方面起着至关重要的作用。界面的原子级工程已经导致了诸如量子霍尔效应、巨磁阻效应和界面超导性等重要发现。外延生长长期以来一直是制造具有三维离子键合晶格的三维材料之间高质量界面的基石。然而，外延界面材料的组合仅限于具有兼容对称性和晶格参数的材料。这些限制阻碍了不同晶格对称性的材料之间界面的创建，限制了新材料组合及其潜在特性的探索。

在最近发表在AdvancedMaterials上的论文中，王红光团队与合作者以立方钛酸锶-六方蓝宝石界面为例，设计了一个三步工艺来制造三维材料之间的对称性破缺界面。透射电子显微镜研究证明这些界面在原子级上是洁净且结构明确的，且没有杂质或空隙。原子分辨电子能量损失谱成像揭示钛酸锶和蓝宝石之间的界面在化学成分上是尖锐的，几乎没有阳离子混合现象。该研究揭示了一种前所未见的莫尔型界面重构，这种重构由钛酸锶和蓝宝石重叠的晶格形成的莫尔图案决定。电子能量损失谱精细结构分析、定量电镜分析和四维电镜研究揭示了界面处的极化结构和电子结构调制。

原子分辨扫描透射电镜图像及谱学图像揭示原子尺度明亮结构及化学成分分布的异质结面

这项研究为以前所未有的精度构筑三维材料间的对称破坏界面开辟了新的可能性。材料的堆叠和扭转的灵活性开辟了研究潜在莫尔图案及相关现象的新领域，为开发新型电子器件提供了新的可能。

2.范德华异质外延结构中的堆砌选择自插层

过去二十年间，层状二维范德华材料取得巨大成功。材料层间相互作用足够弱，使得单个层可以被视为准二维，且易于剥离或插层。然而，这种相互作用也足够强，使得面内不同位移和旋转的层堆叠可以显著改变其电子特性。用透明胶带机械剥离二维材料，并以新方式重新堆叠它们以制造异质结构已经发展成一个重要的研究领域。然而，为了使这种系统具有可扩展性，低维量子结构的原子精度构筑和原子尺度观测领域的重要进展人们不禁会问：否有可能通过外延生长二维材料并在每一层上精确控制堆叠方向？并通过原子精度的透射电子显微镜在微观层面上弄清楚发生了什么。

在近期发表在NatureCommunications上的论文中，王红光与合作者使用扫描透射电子显微镜研究原子精度杂化脉冲激光沉积生长的外延Nb1 xSe2薄膜，为研究过渡金属二硫属化物的插层带来了新的视角。在外延Nb1 xSe2薄膜中，x约为0.3，观察到了纳米尺度的180°和0°堆叠的NbSe2层的相混合。180°堆叠的层中有大量的Nb插层，而0°堆叠的层几乎没有检测到插层。该研究同时揭示了在x约为0.03–0.07时和x约为0.3时存在从180°和0°之间的堆叠旋转，并指出薄膜外延生长过程中涉及的动力学过程的关键作用。

堆砌选择自插层的原子分辨扫描透射电镜图像

这项研究提供过渡金属卤化物自插层机制的清晰图像，为基于自插层的功能设计提供了新的视角。