Tjockleksberoende bandstruktur för PtTe2-tunna filmer och spiralformad spin-struktur av bulk PtTe2-kristall Kredit:©Science China Press
Övergångsmetalldikalkogenider (TMDC) bildade av grupp 10 metaller (t.ex. PtSe 2 , PtTe 2 ) har dykt upp som viktiga material med spännande egenskaper upptäckta både i bulk enkristaller och atomärt tunna filmer. Medan bulk PtSe 2 och PtTe 2 är typ II Dirac-halvmetaller, monolager (ML) PtSe 2 film är en halvledare med spiralformad spinstruktur inducerad av lokal Rashba-effekt. Dock, egenskaperna hos atomärt tunt PtTe 2 filmer och utvecklingen med filmtjocklek förblir outforskade. Nyligen, Shuyun Zhous grupp från Tsinghua University rapporterade en systematisk studie om den elektroniska strukturen av högkvalitativ PtTe 2 tunna filmer med tjocklek från 2 ML till 6 ML odlade med molekylär strålepitaxi (MBE). Detta arbete ger direkta experimentella bevis för en crossover från 2-D metall (2ML film, särskiljs från den halvledande PtSe 2 film) till 3-D Dirac semimetal i PtTe 2 filmer med spinnstruktur inducerad av lokal Rashba-effekt.
I bulk PtTe 2 kristall, masslösa Dirac-fermioner visar sig dyka upp vid de topologiskt skyddade beröringspunkterna för elektron- och hålfickor. Den kraftigt lutade Dirac-konen längs rörelsemängdsriktningen utanför planet bryter Lorentz-invariansen och därför är lågenergiexcitationerna Dirac-fermioner som inte har motsvarighet i högenergifysik. Deras tidigare arbete visar att det isostrukturella materialet PtSe 2 är också en typ II Dirac-halvmetall, och det finns en 3-D Dirac halvmetall-halvledarövergång med minskande tjocklek. Dessutom, monolager PtSe 2 visar intressant spiralformad spin-textur inducerad av lokal Rashba-effekt (R-2) trots att själva monolagerfilmen är centrosymmetrisk. Sådan dold spinntextur inducerad av lokal Rashba-effekt har förväntats ge en viktig plattform för att realisera ny topologisk supraledning med udda paritet om supraledning med s-vågsparning kan induceras. Dock, med tanke på att monolager PtSe 2 är en halvledare med en stor gapstorlek på 1,2 eV, det är svårt att ställa in Fermi-energin i ett så stort område för att göra den till en supraledare. Det är därför viktigt att hitta en liknande centrosymmetrisk film med en lokal Rashba-effekt men med en metallisk egenskap, vilket kan ge en bättre möjlighet att realisera topologisk supraledning.
I det här arbetet, genom att använda ARPES, Shuyun Zhous grupp upptäcker direkt den elektroniska strukturen hos PtTe 2 tunna filmer med olika tjocklek, och observerade metallbandspridning av PtTe 2 tunna filmer även ner till 2 ML. En crossover från 2-D metall (2ML, särskiljs från 2 ML halvledande PtSe 2 film) till 3-D Dirac semimetal avslöjas också. Den elektroniska dispersionen uppvisar starkt tjockleksberoende:med ökande filmtjocklek, de V-formade fickorna på Fermi-nivån i 2 ML och 3 ML filmer rör sig ner i energi och rör så småningom den hålliknande fickan vid högre bindningsenergi, leder till bildandet av en tredimensionell typ II Dirac-fermioner i 4-6 ML filmer, som uppvisar liknande spridning som bulkkristall och sålunda är effektivt en topologisk halvmetall. Ytterligare spin-ARPES-mätningar på PtTe 2 bulkkristall avslöjar en spiralformad spinnstruktur inducerad av lokal Rashba-effekt. Eftersom Rashba-effekten bestäms av kristallsymmetrin och bulk och tunnfilm PtTe 2 delar samma symmetri, liknande spinnstruktur med lokal Rashba-effekt förväntas också i PtTe 2 tunna filmer.
Denna systematiska undersökning om PtTe 2 tunna filmer med kontrollerad tjocklek erbjuder en unik plattform för att studera metalliska tunna filmer med lokal Rashba-effekt, och öppnar möjligheter för att ytterligare undersöka de spännande egenskaperna, t.ex. dopningsinducerad supraledning eller topologisk supraledning.
