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宁波材料所在低维量子功能材料电子结构研究方面获得重要进展

       自从石墨烯被发现以来,二维材料由于具有迷人的特性和广泛的应用前景而得到了研究者的关注。受到石墨烯的不寻常特性与其平面蜂窝状结构密切相关的启发,目前已有许多二维蜂窝状材料,如硅烯、锗烯和磷烯等,得到了广泛的研究。然而,大多数已报道的二维蜂窝状材料是由p电子元素组成的,而由d电子元素组成的二维蜂窝状材料却很少见。许多具有d电子的过渡金属元素可以以自旋极化磁性离子的形式存在。因此,利用过渡金属的二维蜂窝状材料有望于实现二维磁性,它们是二维铁磁体的强力候选者。

  第一个过渡金属的蜂窝状结构是生长在Ir(111)衬底上的铪烯。同许多其它过渡金属的单层蜂窝状材料类似,理论预言,铪烯于其布里渊区的K点具有狄拉克锥型的电子结构以及可能具有铁磁特性。不过,也有一些理论计算认为,铪烯的狄拉克锥型电子结构可能会被Hf原子和衬底Ir原子之间的比较强的相互作用所淬灭,其铁磁特性也会被抑制。因此,利用角分辨光电子能谱(ARPES)观测铪烯的电子结构的直接实验证据就显得很重要,可以解决以上理论计算的争议。

  中国科学院宁波材料技术与工程研究所量子功能材料团队何少龙课题组肖绍铸等人利用角分辨光电子能谱(ARPES)直接测量了在衬底Ir(111)上生长的铪烯(hafnene)的电子结构。研究发现,在费米能级附近,Ir衬底上的铪烯(hafnene)的电子结构是简单的位于布里渊区Γ点的抛物锥型电子口袋(electron pocket),如文末图所示,可以视为二维电子气的能带结构,电子有效质量为1.8 me,电子气密度为7 × 1014 cm-2。结合理论计算分析,研究人员认为,自旋轨道耦合(SOC)和铪原子的较强的Hubbard相互作用的存在抑制了先前理论预测的狄拉克锥型电子结构;铪烯中的铪原子和衬底的铱原子之间的相互作用淬灭了铪烯中的大部分能带,以致幸存的能带为二维电子型的能带。此研究结果具有两方面的重要意义:一方面,hafnene/Ir(111)界面出现的二维电子气型能带结构为与衬底有相互作用的强耦合二维系统的电子结构提供了新的见解;另一方面,为了探索铪烯的本征电子结构,需要通过更换衬底或者采取类似石墨烯研究中通常采用的插层方法来避免衬底的影响。此研究为基于铪烯以及其它过渡金属蜂窝状材料的潜在器件应用提供了关键信息。

  该工作以“Direct evidence of two-dimensional electron gas-like bandstructures in hafnene”为题发表在Nano Research期刊上,并被选为封底文章(线上版本链接:https://rdcu.be/cDjcc)。该工作得到国家重点研发计划(2017YFA0303600、2020YFA0308800)、国家自然科学基金(11974364、11674367、U2032207、92163206、11974045、61725107)、浙江省自然科学基金(LZ18A040002)、宁波市自然科学基金(2018B10060)和宁波3315项目的支持。

 

二维铪烯中的2D电子气(蓝色小球为铪原子,抛物线形的为铪烯中2D电子气色散示意图)

  (纳米实验室 肖绍铸)

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