(a) Schematisk ritning av ytalkalimetallavsättningen. (b) Dopingberoende för ledningsbanden i den ytdopade 2H-MoTe 2 . Kredit:International Center for Quantum Materials, Peking universitet
Metall-isolatorövergång (MIT) som drivs av många kroppsinteraktioner är ett viktigt fenomen inom den kondenserade materiens fysik. Exotiska faser dyker alltid upp runt metallisolatorns övergångspunkter där kvantfluktuationer uppstår från en konkurrens mellan spinn, avgift, orbital, och gitter frihetsgrader. Tvådimensionella (2D) material är en stor klass av material. Deras enkla struktur, låg dimensionalitet, och mycket inställbar bärartäthet gör dem till en idealisk plattform för att utforska exotiska faser. Dock, många kroppsinteraktioner är normalt svaga i de flesta 2D-material, därav, de korrelationsrelaterade fenomenen väcker liten uppmärksamhet i studierna av 2D-material under en lång period. Nyligen, människor fann att många kroppsinteraktioner kan förbättras i 2D-heterostrukturer eller artificiellt hopvikta 2D-strukturer. Korrelationsrelaterade fenomen hittades i många intressanta system, såsom LaAlO 3 /SrTiO 3 , vriden tvåskiktsgrafen, etc.
Zhang Yans grupp vid International Centre for Quantum Materials (ICQM) vid Peking University rapporterar upptäckten av en exotisk metallisolatorövergång i en ytdopad övergångsmetalldikalkogenid 2H-MoTe 2 utnyttjande av högupplöst vinkelupplöst fotoelektronspektroskopi (ARPES) och in-situ ytalkalimetallavsättning. De fann att metallisolatorövergången kunde förklaras av en placering av polaroner på grund av den starka elektron-fononkopplingen som förstärks vid provytan. Detta arbete med titeln "Metal-Isolator Transition and Emergent Gapped Phase in the Surface-Doped 2-D Semiconductor 2H-MoTe 2 "publicerades i Fysiska granskningsbrev [Fys. Rev Lett. 126, 106602 (2021)] den 12 mars, 2021. Zhang Yan är motsvarande författare och Han Tingting, en doktorand i ICQM är första författare.
Experimenten utfördes i ett egenkonstruerat ARPES-system vid Peking University och Beamline BL03U i Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF). Genom att använda ytdeponeringstekniken, Zhang Yans grupp skapade ett 2D-metall-halvledargränssnitt mellan yt- och bulkskikten i 2H-MoTe 2 . Rent generellt, när bärare är fyllda i ledningsbanden i en halvledare, den kemiska potentialen ökar och de ledande banden skiftar stelt mot högre bindningsenergi. Dock, vid ytan av 2H-MoTe 2 , forskarna fann att ledningsbanden genomgår flera övergångar med bärardopningen över det metalliska tillståndet, gapad fas, isolatortillstånd, och dåligt metalliskt tillstånd. Sådan utveckling av elektronisk struktur kan inte förklaras av förändringen av kemisk potential eller ytförsämring, antyder förekomsten av en exotisk metallisolatorövergång vid ytan av 2H-MoTe 2 .
(a) Fasdiagram över det ytdopade 2H-MoTe 2 . (b) och (c) Spektralbevis för förekomsten av replikaband och stark elektron-fononkoppling. Kredit:International Center for Quantum Materials, Pekings universitet
Ytterligare studier visade att ytan av 2H-MoTe 2 uppvisar ett komplicerat fasdiagram, som liknar fasdiagrammen för en kvantfasövergång som drivs av många kroppsinteraktioner. Under tiden, den detaljerade spektrumanalysen löser förekomsten av replikaband som normalt ses som ett fingeravtryck av stark elektron-fonon-koppling. Kombinerat med den observerade energirenormaliseringen av spektra och utvecklingen av bandspridning, forskarna drar slutsatsen att elektron-fonon-kopplingen är starkt förstärkt på ytan av 2H-MoTe 2 . Elektroner är klädda av gitterexcitationer, bildar polaroner. Polaronerna lokaliseras sedan på grund av orenhet eller störningsspridning, som driver den observerade metall-isolatorövergången.
Detta arbete visar hur en komplicerad metall-isolatorövergång kan inträffa på ytan av en enkel tvådimensionell halvledare. Å ena sidan, resultaten framhäver den ytdopade 2H-MoTe 2 som ett starkt kandidatmaterial för att förverkliga polaronisolator, polaronutsträckt tillstånd, och hög-Tc supraledning. Å andra sidan, experimenten visar att ytalkalimetallavsättningen kan förbättra växelverkan mellan många kroppar i tvådimensionella halvledare, som öppnar ett nytt sätt att utforska korrelationsrelaterade fenomen i tvådimensionella material. Detta arbete stöddes av National Natural Science Foundation of China, Kinas nationella nyckelforsknings- och utvecklingsprogram.
