今日Nature: 张翔中国学生发现二维硫族化物电控结构相变
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错过了石墨烯，还有他 表兄弟们可以期待。请看知社点评中国研究生的精彩工作，和王中林、于浦、南策文的相关研究。
美东时间2017年10月11日，加州大学伯克利分校张翔教授组与斯坦福大学合作在Nature在线发表题为Structural phasetransition in monolayer MoTe2 driven by electrostatic doping的研究论文，揭示二维过渡金属硫族化物电控结构相变。
二维过渡金属硫族化物2H结构
以二硫化钼为代表的二维过渡金属硫族化物是继石墨烯之后的又一大研究热点，吸引了材料科学、凝聚态物理、和微电子器件等诸多领域研究人员的广泛关注。和石墨相似，过渡金属硫族化物呈层状结构，层间以弱的范德华力结合，因此能够通过机械剥离的方式得到二维材料。但与电导体的石墨烯不同，二维过渡金属硫族化物是具有带隙的半导体材料，因而蕴含着更加丰富的物理现象和应用前景，并催生了一个全新的谷电子学领域。如上图所示，二维过渡金属硫族化物通常处于稳定的2H相，其中过渡金属呈六边形分布，夹于两层硫族元素中间。该相具有直接带隙和谷电子自由度，且不具备对称中心，因而在谷电子学和光电子学都具有潜力。王中林组此前也曾利用二硫化钼的压电性做纳米发电机，论文发表于Nature，如下图所示。而张翔组也曾在Nature Nanotechnology报道运用原子力显微镜定量测量二硫化钼的压电系数。
王中林MoS2纳米发电机
MoTe2 的2H和1T’结构
有意思的是，二维过渡金属硫族化物也可能存在1T’相，如上图所示，其中硫族元素形成8面体，将过渡金属元素包裹其中。1T’相呈半金属或者金属性，具有中心对称性，并被预言有非平凡的拓扑态。因此，如果能够动态可控调节2H和1T’两相之间的转变，则既可揭示其中非常丰富的物理现象，也可带来新的应用前景，如新型存储元件、构型可变的微电子器件、和拓扑三极管。
离子门场效应三极管示意图
在这篇文章中，张翔组研究的是MoTe2，其2H-1T’相变此前研究者曾通过温变、辐照、和元素掺杂在几层MoTe2中实现。受此前的理论预测启发，张翔组构造了如上图所示的离子门场效应三极管，通过门电压向单层的MoTe2注入电子。这些多余电子占据2H的导带，能量较1T’相高数百毫伏，因而拉高2H的能量。因此，在高注入浓度的情形下，这些额外的电子可能使得2H的能量高于1T’，从而诱导2H-1T’结构相变。不得不说，这一构思相当巧妙。
拉曼光谱及相变迟滞回线
这一设想被拉曼光谱所证实。如上图所示，2H相所对应的A1’和E’模态在施加门电压后强度逐渐降低，而1T’所对应的Ag模态强度则逐渐增强，表明电控2H-1T’相变。通过光谱拟合得到两相分布随门电压的变化，可以看到明显的迟滞回线，2H-1T’相变在3V左右开始，4V左右完成。而逆相变则开始于2V左右，完成于1V左右。由于两相之间大的结构畸变，这一迟滞是意料之中的。此外，他们发现，负的门电压注入空穴，因而未能诱导相变，与理论预测一致。
拉曼与SHG 光谱
另一个有意思的发现是相变前后MoTe2的晶格取向不变。从second harmonic generation (SHG)来看，2H在施加电压前以及撤掉电压后，都呈预期的六次对称，而且取向重合。更有意思的是在相变过程中2H的X轴（右图SHG）与1T’的X’轴（左图拉曼）保持一致，从中可以想象其相变模式。
光学照片和SHG成像
最后当然还是要看一下实际的照片。上图左边是实验器件的光学照片，电极下面虚线部分是单层MoTe2。右边则是SHG成像，上方是未加电压的2H相，因非中心对称结构而呈现明显的SHG响应；下方是门电压为4.1V时的1T’相，结构中心对称，SHG响应消失，显示电控相变。
清华于浦组双离子调控氧化物结构相变
我们也注意到，通过离子门电控物相是当前研究一大热点。今年另一篇很有意思的工作是清华大学于浦组与南策文老师等合作，在Nature 报道电场诱导下的双离子调控氧化物可逆结构相变，发现全新的物相，并揭示了相变所对应三种结构的奇异光学、电学和磁学特性，为电场调控光、电和磁性的器件应用提供了全新的可能，引起广泛的关注。
这篇论文通讯作者是张翔教授，共同一作是来自中国的两位研究生Jun Xiao和Ying Wang。张翔教授是国际著名的光电学家，三院院士。他1963年12月生于中国南京市，1996年获得加州大学伯克利分校博士学位，2010年当选为美国国家工程院院士，2012年当选为台湾中央研究院院士，2015年当选中国科学院外籍院士。 张教授与国内联系与合作密切，一度曾传言可能出任南京大学校长和南方科大校长。张翔教授论文的署名单位，还包括沙特国王大学。
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