武汉大学物理科学与技术学院张晨栋

naixin

张晨栋，武汉大学物理科学与技术学院教授、博士生导师，2005年安徽大学物理系获得学士学位，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。

教师姓名：张晨栋
单　位        物理科学与技术学院
职　称        教授,博导
学　历        博士
E-mail        cdzhang@whu.edu.cn
研究方向        表面物理，低维量子体系，二维范德瓦尔斯材料

主要研究方向
1）二维范德瓦尔斯材料及其各种异质结构的生长、结构和物性；
2）低维体系中的等新奇量子现象，特别是自旋轨道耦合、强关联相关的物性，如超导、拓扑、磁性等；
3）表面物理，薄膜物理。


主要科研成果
主要的研究领域是利用扫描隧道显微镜的超高实空间分辨（皮米量级）和能量分辨率（meV量级），对各种低维材料进行原子/电子结构的实验研究。其中以石墨烯、过渡金属硫族化物等二维范德瓦尔斯材料为代表，包括：
1)突破传统谱学测量技术，获得单层过渡金属硫族化物材料的核心基础物性的高精度测量，如带边自旋能级劈裂、层间作用力机理、强激子作用、能带归一化等；
3)发现范式堆叠异质结中超晶格对电子结构（带宽、功函数等）的周期调制作用；
3)平面WSe2-MoS2异质结中二维应力张量的纳米尺度分布图像及其机理，精确定量揭示应力的能带调控作用；
4)超高质量单晶金属薄膜的分子束外延制备和其在等离激元光子学方面应用的探索。


目前的研究课题及展望
本课题组具备多台世界领先水平的扫描隧道显微镜设备，包括极低温腔磁场STM (400mK、15T强磁场); 变温Q-plus原子力显微镜 (5K-300K)等。与丰富的原位分子束外延制备能力结合，在原子尺度上探索崭新的低维材料和低维结构体系，挖掘其中蕴含的新奇量子物性。


培养研究生情况:
每年招收博士研究生2-3名，硕士研究生2-4名。欢迎有志于科学研究，尤其是对表面低维物理、低温实验物理感兴趣的同学报考，优秀学生有加入国外一流研究组交换学习的机会。另外，本课题组设置重点资助博士后名额2-3人，年薪25万起（具体待遇另议），欢迎具有相关经验的青年学者联系。


代表性论文：
1. Strain distributions and their influences on electronic structures of WSe2-MoS2 laterally strained heterojunctions
C. Zhang*, M.-Y. Li, J. Tersoff, Y. Han, Y. Su，L.-J. Li, D. A. Muller and C.-K. Shih
Nature Nanotechnology, in press (2017)
2. Visualizing Band Offsets and Edge States in Bilayer-Monolayer Transition Metal Dichalcogenides Lateral Heterojunction
C. Zhang, Y. Chen, J.-K. Huang, X. Wu, Lain-Jong Li, Wang Yao, Jerry Tersoff, Chih-Kang Shih
Nature Communications 7, 10349 (2016).  
3. Interlayer Couplings, Moiré Patterns, and 2D Electronic Super-lattices in MoS2/WSe2 Hetero-bilayers
C. Zhang, M.-Y. Li, C.-P. Chuu, Q. Zhang, C. Zeng, Chuanhong Jin, L.-J. Li, M.-Y. Chou and C.-K. Shih
Science Advances 3, e1601459(2017).
4. Determination of Band Alignment in the Single Layer MoS2/WSe2 Heterojunction,
M.-H. Chiu†, C. Zhang†, H.-W. Shiu, C.-P. Chuu, C.-H. Chen, C.-Y. Chang, C.-H. Chen, Mei-Yin Chou, C.-K. Shih and L.-J. Li (†equal contribution)
Nature Communications 6, 7666 (2015).
5. Direct Imaging of the Band Profile in Single Layer MoS2 on Graphite: Quasiparticle Energy Gap, Metallic Edge States and Edge Band Bending,
C. Zhang, A. Johnson, C.-L. Hsu, L.-J. Li, C.-K. Shih
Nano Letters 14, 2443–2447 (2014).
6. Probing Critical Point Energies of Transition Metal Dichalcogenides: Surprising Indirect Gap of Single Layer WSe2,
C. Zhang, Y. Chen, A. Johnson, M.-Y. Li, L.-J. Li, P. C. Mende, Randall M. Feenstra, and C.-K. Shih
Nano Letters 15, 6494-6500 (2015).
7. Intrinsic Optical Properties and Enhanced Plasmonic Response of Epitaxial Silver
Y. Wu†, C. Zhang†, Y. Zhao, J. Kim, M. Zhang, N. M. Estakhri, X.-X. Liu, G. K. Pribil, A. Alù, C.-K. Shih, X. Li (†equal contribution)
Advanced Materials 26, 6106-6110(2014).

gmao800

由有机半导体和无机TMD半导体构建而成的O/T异质结可以把有机分子和TMD材料的优势结合起来，具有例如显著增强的层间激子泵浦效率和可调控的电子结构等优异物性，在电子器件和光电子器件有重要的应用潜能。而异质结的能带排列是决定这类多功能器件特性的关键参数之一，本文工作首次对能带排列进行了直接探测，获得了二维极限下O/T界面的详细信息。

       张晨栋课题组利用MBE在SiC外延石墨烯衬底上构建了原子级洁净的单层PTCDA/单层WSe2异质结界面，结合扫描隧道显微镜和第一性原理计算对界面电子结构进行了直接探测和深入研究。研究发现在该异质结界面处存在着显著的PTCDA分子层到WSe2层的层间电荷转移；PTCDA的非占据态和WSe2的导带之间存在很强的轨道杂化行为，因此vdW半导体异质结中广泛采用的Anderson能带排列规则并不适用于该O/T界面；此外，文中确定了异质结为第二类能带排列，价带台阶约1.69 eV，导带台阶约1.57 eV；最后，研究表明PTCDA分子和下层Se格子的局域堆叠角度的不同会影响杂化界面态，使互为90°角的两种分子的本征能量存在偏移。
      文章信息:Yanping Guo, Linlu Wu, Jinghao Deng, Linwei Zhou, Wei Jiang, Shuangzan Lu, Da Huo, Jiamin Ji, Yusong Bai, Xiaoyu Lin, Shunping Zhang, Hongxing Xu, Wei Ji* & Chendong Zhang*. Band alignment and interlayer hybridization in monolayer organic/WSe2 heterojunction. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-021-3648-9.2.

ersan

8月22日，Nano Letters （《纳米快报》）在线发表了物理科学与技术学院张晨栋教授团队有关二维铁电/过渡金属二卤化物异质结(TMD)的最新研究成果。论文题为《Tuning of the valley structures in monolayer In2Se3/WSe2 heterostructures via ferroelectricity》。武汉大学为第一署名单位，物理学院2019级博士生霍达为论文第一作者，武汉大学张晨栋教授和中山大学俞弘毅教授为共同通讯作者。
        二维铁电材料的出现使得非易失性铁电功能可被集成到范德华异质结中，为低维量子物态的非易失性电调制提供了可能，如热电、磁性和光电响应等。二维铁电半导体In2Se3/TMD组成的物态杂化体系, 由于易于制备、性能稳定等优点，已在技术应用上展现出优良的前景。但目前为止，实验上对近邻铁电极化引起的电子结构等基础物性调控的理解还比较缺失，基础的量子构效关联未能确定。特别的，外电场的斯塔克效应是调控TMD材料能谷结构的有效手段，但由于对称性保护等原因一直未能在单原子层中观察到。

        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单层极限下In2Se3/WSe2异质结的可控制备。同时，通过原位的低温扫描隧道显微镜测量，发现单层In2Se3具有两种不同的相，分别是具有面内反铁电性的b’和面内铁电性的b*，并且确定了单层In2Se3/WSe2界面处为II型能带排列。进一步，发现了单层WSe2的能谷结构的显著调制，通过铁电和反铁电In2Se3相的原位相变证实了顶部In2Se3层中的铁电极化对调制起主导作用。这种现象可归因于平面外电场的一级和二级斯塔克位移(Stark shift)的结合。这是目前首次在单原子层材料中实现显著的斯塔克位移的实验工作，为调控能谷结构提供了一种新思路。
        该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委员会、中科院战略性先导科技专项的支持。
       文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c02871