今日Nature：張翔中國學生髮現二維硫族化物電控結構相變

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錯過了石墨烯，還有他 表兄弟們可以期待。請看知社點評中國研究生的精彩工作，和王中林、於浦、南策文的相關研究。

美東時間2017年10月11日，加州大學伯克利分校張翔教授組與斯坦福大學合作在Nature在線發表題為Structural phasetransition in monolayer MoTe2 driven by electrostatic doping的研究論文，揭示二維過渡金屬硫族化物電控結構相變。

二維過渡金屬硫族化物2H結構

以二硫化鉬為代表的二維過渡金屬硫族化物是繼石墨烯之後的又一大研究熱點，吸引了材料科學、凝聚態物理、和微電子器件等諸多領域研究人員的廣泛關注。和石墨相似，過渡金屬硫族化物呈層狀結構，層間以弱的范德華力結合，因此能夠通過機械剝離的方式得到二維材料。但與電導體的石墨烯不同，二維過渡金屬硫族化物是具有帶隙的半導體材料，因而蘊含著更加豐富的物理現象和應用前景，並催生了一個全新的谷電子學領域。如上圖所示，二維過渡金屬硫族化物通常處於穩定的2H相，其中過渡金屬呈六邊形分布，夾於兩層硫族元素中間。該相具有直接帶隙和谷電子自由度，且不具備對稱中心，因而在谷電子學和光電子學都具有潛力。王中林組此前也曾利用二硫化鉬的壓電性做納米發電機，論文發表於Nature，如下圖所示。而張翔組也曾在Nature Nanotechnology報道運用原子力顯微鏡定量測量二硫化鉬的壓電係數。

王中林MoS2納米發電機

MoTe2 的2H和1T』結構

有意思的是，二維過渡金屬硫族化物也可能存在1T』相，如上圖所示，其中硫族元素形成8面體，將過渡金屬元素包裹其中。1T』相呈半金屬或者金屬性，具有中心對稱性，並被預言有非平凡的拓撲態。因此，如果能夠動態可控調節2H和1T』兩相之間的轉變，則既可揭示其中非常豐富的物理現象，也可帶來新的應用前景，如新型存儲元件、構型可變的微電子器件、和拓撲三極體。

離子門場效應三極體示意圖

在這篇文章中，張翔組研究的是MoTe2，其2H-1T』相變此前研究者曾通過溫變、輻照、和元素摻雜在幾層MoTe2中實現。受此前的理論預測啟發，張翔組構造了如上圖所示的離子門場效應三極體，通過門電壓向單層的MoTe2注入電子。這些多餘電子佔據2H的導帶，能量較1T』相高數百毫伏，因而拉高2H的能量。因此，在高注入濃度的情形下，這些額外的電子可能使得2H的能量高於1T』，從而誘導2H-1T』結構相變。不得不說，這一構思相當巧妙。

拉曼光譜及相變遲滯回線

這一設想被拉曼光譜所證實。如上圖所示，2H相所對應的A1』和E』模態在施加門電壓後強度逐漸降低，而1T』所對應的Ag模態強度則逐漸增強，表明電控2H-1T』相變。通過光譜擬合得到兩相分布隨門電壓的變化，可以看到明顯的遲滯回線，2H-1T』相變在3V左右開始，4V左右完成。而逆相變則開始於2V左右，完成於1V左右。由於兩相之間大的結構畸變，這一遲滯是意料之中的。此外，他們發現，負的門電壓注入空穴，因而未能誘導相變，與理論預測一致。

拉曼與SHG 光譜

另一個有意思的發現是相變前後MoTe2的晶格取向不變。從second harmonic generation (SHG)來看，2H在施加電壓前以及撤掉電壓後，都呈預期的六次對稱，而且取向重合。更有意思的是在相變過程中2H的X軸（右圖SHG）與1T』的X』軸（左圖拉曼）保持一致，從中可以想像其相變模式。

光學照片和SHG成像

最後當然還是要看一下實際的照片。上圖左邊是實驗器件的光學照片，電極下面虛線部分是單層MoTe2。右邊則是SHG成像，上方是未加電壓的2H相，因非中心對稱結構而呈現明顯的SHG響應；下方是門電壓為4.1V時的1T』相，結構中心對稱，SHG響應消失，顯示電控相變。

清華於浦組雙離子調控氧化物結構相變

我們也注意到，通過離子門電控物相是當前研究一大熱點。今年另一篇很有意思的工作是清華大學於浦組與南策文老師等合作，在Nature報道電場誘導下的雙離子調控氧化物可逆結構相變，發現全新的物相，並揭示了相變所對應三種結構的奇異光學、電學和磁學特性，為電場調控光、電和磁性的器件應用提供了全新的可能，引起廣泛的關注。

這篇論文通訊作者是張翔教授，共同一作是來自中國的兩位研究生Jun Xiao和Ying Wang。張翔教授是國際著名的光電學家，三院院士。他1963年12月生於中國南京市，1996年獲得加州大學伯克利分校博士學位，2010年當選為美國國家工程院院士，2012年當選為台灣中央研究院院士，2015年當選中國科學院外籍院士。 張教授與國內聯繫與合作密切，一度曾傳言可能出任南京大學校長和南方科大校長。張翔教授論文的署名單位，還包括沙特國王大學。

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