张晨栋课题组在一维范德华纳米线领域取得重要进展

naixin

具有原子级厚度的二维材料分离与堆叠，赋予了物性调控的新自由度。相比于三维晶体材料中的化学键，二维材料层间相对较弱的范德华相互作用在其分离与堆叠中扮演着重要的角色。二维材料的蓬勃发展也驱使着研究者们重新审视更低维度的材料体系——原子级尺度的范德华纳米线。而在一维体系中，一个最重要的特征便是不可忽视的电子关联相互作用，它的存在导致费米液体模型失效，取而代之的是玻色化的Luttinger液体模型。在一维体系中实现原子级精准的结构调控，进而实现电子态和电子间关联的调控，有着重要的基础科学意义和实际应用潜力。然而与二维情况相比，在一维范德华体系中实现原子级控制无疑更具挑战。

图一：W6Te6纳米线的原子结构、堆叠与电子性质调控

       近期，武汉大学物理科学与技术学院张晨栋课题组在一维范德华纳米线的研究上取得突破。该工作以“Precise Tuning of Band Structures and Electron Correlations by van der Waals Stacking of One-dimensional W6Te6 nanowires”为题，发表在《纳米快报》（Nano Letters）上。武汉大学为第一署名单位，第一作者为武汉大学物理科学与技术学院2018级硕士生邓京昊，武汉大学张晨栋教授与中国科学技术大学崔萍教授为共同通讯作者，论文的合作者还包括中国科学技术大学张振宇教授。
      张晨栋课题组通过分子束外延生长的方法，在双层石墨烯/碳化硅衬底上实现了W6Te6范德华纳米线（单根直径~0.8 nm）的可控制备。同时，通过原位的低温扫描隧道显微镜测量，在原子级精度上确定了单根纳米线的本征原子结构与两根/多根纳米线的堆叠结构[图一(a)]。结合第一性原理计算与扫描隧道谱研究[图一(b)]，张晨栋课题组首次在过渡金属硫族纳米线体系中揭示了单根纳米线的半导体特性，其带隙大小约为60 meV。两根纳米线间范德华作用，会关闭这一带隙，体系发生半导体-金属转变。进一步地研究发现，金属态的多根纳米线阵列具有显著的Luttinger液体行为，并且其中的电子关联强度可以被纳米线根数所调控。随着纳米线的根数从两根增加至六根，其中的Luttinger因子从g = 0.086逐渐增长至g = 0.136（g = 1 表示该体系为费米液体），这表明纳米线中的电子关联效应随着根数的增加而被抑制。随堆叠根数变化的能带结构与电子关联强度证明了范德华相互作用在一维体系中的重要地位，也为制备与构建电子特性可调的一维材料体系提供了重要思路。
       以上研究收到国家重点研发项目、国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项与安徽量子信息技术项目等基金资助。
       文章链接： https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c03897


      文章来源：武汉大学
      张晨栋，武汉大学物理科学与技术学院教授、博士生导师，2011年中国科学院物理研究所毕业获博士学位，毕业后于美国得科萨斯大学奥斯汀分校从事博士后研究。主要从事表面物理、低维量子体系如二维范德瓦尔斯材料方面的研究。