周树云研究组NanoARPES实验揭示薄层二碲化钼中的量子阱态

Jul 19 2018

 过渡金属二硫化物在仅有几个原子层的厚度时,其能带会随着层厚的变化有着非常明显的不同。最近,周树云研究组利用紧聚焦的具有百纳米级空间分辨率的角分辨光电子能谱(NanoARPES)技术,直接测量到薄层的六角相二碲化钼的能带,发现了其在较深能量处随层厚变化的量子阱态,并通过与第一性原理计算的对比揭示了这一现象的来源以及其与二硫化钼和二硒化钼之间的不同。研究成果以“Resolving deep quantum well states in atomically thin 2H-MoTe2 flakes by Nanospot Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy“ 为题发表在7月11号的Nano Letters期刊上。

图一:左图为NanoARPES测量示意图。右图为3,5,7层MoTe2的能带结构,红色虚线是量子阱态。

         过渡金属二硫化物在原子层厚度时会显示出显著的量子尺寸效应和新奇物理现象,在未来纳米尺度的器件具有重要应用潜力,而对这类材料的薄层的能带结构对于理解相关物理现象至关重要。周树云研究组通过机械剥离的方法得到了不种层厚的高质量二碲化钼样品,并通过光学和原子力显微镜以及拉曼光谱手段确定了样品的层厚为3,5和7层。进一步通过利用NanoARPES这一先进的实验技术,成功测量得到了三种层厚对应的能带。有意思的是,虽然薄层样品的量子阱态通常出现在最接近费米能的能带,而在二碲化钼中,随层厚显著变化的量子阱态出现在更深的能量范围而非最靠近费米能的价带。第一性原理计算结果与实验结果的对比结果揭示了产生该现象的根源来自于钼原子的4dz2轨道与硫族元素原子的5pz轨道,比如在二碲化钼中,碲原子的5pz轨道与钼原子的4dz2轨道之间较弱的杂化和较大的能级差异直接导致了在较深能量处能量间隔较为明显的量子阱态的出现。

         该项工作得到科技部(2016YFA0303004,2015CB921001),国家自然科学基金(11334006,11725418,11674188),科学挑战计划(20164500122)和北京市未来芯片技术高精尖创新中心的支持。清华大学物理系的周树云教授为该文的通讯作者,物理系博士生张红云和鲍昌华分别为文章的第一和第二作者,文章理论部分来自于清华大学物理系的段文晖教授及其博士生姜泽宇。

全文链接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.8b00589