北理工團隊在轉角雙層銻烯研究方面取得重要進展

　　【儀表網 研發快訊】近日，北京理工大學物理學院的姚裕貴教授、肖文德研究員團隊與北京科技大學潘斗星副教授合作，在轉角電子學方面取得了重要進展，首次成功制備了轉角雙層銻烯，并發現其具有轉角依賴的電子結構轉變。研究成果發表于物理學國際頂級期刊《Nano Letters》。
 

　　轉角豐富了材料結構和物性的調控維度。例如，魔角石墨烯(magic-angle twisted bilayer graphene)呈現出多種奇異的物理性質，包括非常規超導、關聯絕緣態等。此外，在轉角過渡金屬硫族化合物中也觀察到轉角依賴的電學和光學性質，如平帶、谷激子等。值得注意的是，轉角電子學并不局限于平面六方結構的材料。近年來，由于轉角堆疊和各向異性晶格之間的相互作用可以導致奇異的輸運性質，轉角的翹曲四方結構材料也引發了廣泛關注。比如，有計算工作預言轉角雙層黑磷中的的摩爾條紋具有非凡的“雜質”效應，導致其輸運方向和載流子類型具有顯著不對稱性。但是由于黑磷空氣穩定很差，雙層黑磷很難制備得到，遑論應用。作為黑磷的姊妹材料，α相銻烯(α-Sb)具有很好的空氣穩定性，并且其電子結構可由應力調控，因而成為理想的轉角翹曲結構研究的候選材料。然而，迄今為止轉角雙層銻烯還未被成功制備。
 

　　北京理工大學姚裕貴教授、肖文德研究員團隊長期致力于低維翹曲單元素烯的理論預測和實驗制備，在銻烯的可控制備和物性研究方面取得了一系列重要進展[J. Phys. Chem. C (2023)；J. Phys. Chem. Lett. 15 (24), 6415-6423 (2024)]。最近，該研究團隊選擇TiSe2作為襯底，首次成功外延制備具有39°轉角的雙層銻烯，并用低溫掃描隧道顯微鏡對單層銻烯、AB堆垛的雙層銻烯和39°轉角的雙層銻烯的結構進行了細致的表征。他們在分子動力學模擬中設置不同初始角度的轉角雙層銻烯和不同的環境溫度。一系列的模擬結果表明，除了常規AB堆垛外，還有四種轉角雙層α-Sb在能量上是穩定的，其中39°轉角的雙層α-Sb出現的頻率最高，表明39°轉角的雙層α-Sb是這四種轉角雙層α-Sb中是最穩定的。此外，掃描隧道譜和密度泛函理論(DFT)計算表明，39°轉角的雙層α-Sb具有金屬特征，而常規AB堆垛的雙層α-Sb具有半導體特征。從DFT優化模型可知，轉角使得39°轉角雙層α-Sb中的上層原子發生重構，并且其層間距與AB堆垛雙層α-Sb相比會略微縮小。這種重構和層間距的減小有利于增強pz軌道的層間電子躍遷，從而解釋了39°轉角雙層α-Sb中半導體到金屬性的電性轉變。該工作成功合成了轉角雙層α-Sb，并發現轉角依賴的電學特性，表明褶皺四方結構單元素烯在轉角電子學領域具有廣闊的應用前景。
 

　　圖1. 兩類雙層銻烯島，N為AB堆垛(Normal AB-stacked)的雙層銻烯島,T為39°轉角(Twisted)的雙層銻烯島。
 

圖2. 39°轉角雙層銻烯的原子結構和DFT模型。
 

圖3. 不同初始角度和環境溫度的轉角雙層銻烯的分子動力學模擬結果。
 

　　圖4. 單層銻烯、AB堆垛雙層銻烯和39°轉角雙層銻烯的STS譜和DFT計算能帶圖。
 

　　北京理工大學為該研究工作的第一完成單位。北京科技大學潘斗星副教授和北京理工大學肖文德研究員為本文的通訊作者。北京理工大學物理學院博士研究生肖佩瑤為論文第一作者，李驥博士為論文的共同第一作者。該工作得到了國家重點研發計劃(No. 2020YFA0308800)、國家自然科學基金(Nos. 12274029, 11802306, 12321004)、以及北京理工大學物理學院先進光電量子結構設計與測量教育部重點實驗室、北京理工大學納米光子學與超精密光電系統北京市重點實驗室的支持。