刘立巍、王业亮等在​手性电荷密度波双稳态的可逆转变方面取得最新研究成果

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近日，北京理工大学集成电路与电子学院刘立巍副教授，王业亮教授团队在Nat.Commun. 13, 1843(2022)发表最新研究成果，文章第一作者为宋璇、刘立巍，通讯作者为刘立巍、王业亮，通讯单位为北京理工大学。
        手性是指一个物体或状态的特性不能与它的镜像重合。电荷密度波(CDW)及其手性的转变在超快开关和超低功耗存储器中具有非常重要的应用前景。但CDW手性在原子尺度上的可逆调控从未实现。如何在原子尺度上观测手性和其动态转变过程，以及如何在CDW系统中实现可逆的手性调控，面临巨大的挑战。
       在本工作中，刘立巍副教授、王业亮教授等指导博士生宋璇等，利用分子束外延技术在双层石墨烯上构筑了高质量的单层NbSe2，实现了手性电荷密度波（CDW）高空间分辨率（原子级）和快时间（us）分辨率的观测。该工作报道了多个新颖的现象：(a) 在CDW手性转变前后顶层Se原子晶格的排列连续且完整。(b) CDW超晶格的手性变化十分迅速，动态转变过程中存在亚稳态。利用单电子隧穿作用实现了手性转变的驱动，并调控隧穿电流大小实现了转变速率的控制。(c) 通过外加电场，实现了手性CDW可逆转变。
       这些在原子尺度的重要发现，有助于理解二维材料中手性CDW转变的过程和机制。除了电场和隧穿电子，可在该体系中施加其它形式的激发能，如机械力、热、元素掺杂和激光等，来实现CDW超晶格的手性转变。非常有趣的是，NbSe2岛的手性CDW在室温以上可稳定存在，这一特性有利于手性CDW的纳米器件在室温环境中的应用。该研究实现了对手性CDW转变的控制，并利用电导实现超快、低功耗的信息存储和读写的纳米电子器件奠定了坚实基础。

图1. 利用单电子隧穿实现了CDW阵列双稳态可逆转变。(a)CDW阵列在电流驱动下转变的示意图。(b, c)电流-时间谱线显示转变瞬间的高低电流变化，大的电流驱动使得双稳态转变更快。(d)电流-时间谱线统计拟合，满足隧穿电流与转变几率的线性关系，证明了单电子隧穿过程。

       2021年以来，刘立巍副教授以第一或通讯作者身份还发表了Nat. Commun. 1篇，2D Materials 1篇，ACSNano 1篇，J. Phy. Chem. Lett.1篇，Prog. Surf. Sci.1篇，Nano Res.2篇。其中与CDW相关的工作如下：

      （1）构筑出高质量的单层NbSe2纳米岛，测量并分析电荷密度波和自旋极化的关联效应。

       研究了莫特态的上哈伯德能带(UpperHubbard Band，UHB)和CDW的轨道之间的空间反相分布关系，测量并阐明了单层1T-NbSe2每个CDW格点在UHB态的能量具有自旋极化特性，可作为低功耗的信息存储点。信息点间距为1.25nm，自旋信息存储密度高达480 Tb/inch2 (每平方英寸480兆兆比特)。
(Nat. Commun. 12, 1978 (2021)；https://www.nature.com/articles/s41467-021-22233-w)

图2. (a)单层NbSe2的周期性图案(密排六方结构)，每个CDW三角形亮斑区域为一个自旋信息存储点。信息点间距为1.25 nm，信息存储密度高达480 Tb/inch2。(b)随几何结构周期性排布的自旋电子态。(c)能带积分图，表明+0.2 V为自旋极化电子态。

（2）构筑出一维CDW超结构和相应的电子态超结构，测量并分析超结构对哈伯德自旋能带的调制。
利用分子束外延(MBE)技术构筑了原子级平整边界，发现边界处的CDW元胞由体内有序的CDW晶格自发地演化重构成四聚体。此外，还发现沿边界出现了反常的电子超结构，其周期是普通CDW晶格的4倍。每个周期由4个不等价CDW组成，并呈现由结构调制的相应电子态超结构，实现了对自旋阵列尺寸和维度的深入调控。


(ACS Nano16, 1332 (2022)；https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c09249)

图3. 一维电荷密度波四聚体超结构与电子态超结构。

       （3）双层转角叠层异质结及受调制的电子态
        在单层NbSe2的研究基础上，构筑了双层NbSe2叠层异质结，发现其单层到双层的结构变化导致了绝缘体-金属转变，即零偏压附近出现了层间耦合的新电子态。该工作揭示了这两个电子态分别呈现出向上和向下的自旋，与单层相比，双层的自旋明显加强(图5c)。该工作发现层数变化可加强自旋相互作用，为基于二维自旋阵列器件的设计提供了新思路。(2D Mater. 9, 014007 (2021)；https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2053-1583/ac427f）

图4. (a)双层转角叠层结构的三维形貌图。(b)双层形貌的原子分辨图。(c)单双层NbSe2的微分电导谱，零偏压附近的两个电子态分别呈现出向上和向下的自旋，与单层相比，双层的自旋信号明显加强。

        以上一系列工作围绕二维电荷密度波CDW材料的结构和性质开展全面研究，该体系在大气和室温环境依然稳定，为基于低维CDW量子材料在电子学的应用提供了新的思路和材料基础。


       文章来源：北京理工大学
       王业亮，北京理工大学教授。长期从事微纳电子材料与器件的制备、物性及应用研究；近年来采用分子束外延生长、光电子能谱和扫描探针显微镜等技术，在原子尺度上针对新型二维量子材料及其异质结构的构建、物性测量和调控、器件设计和性能测试，以及基础应用等方面发展技术和开展深入研究。取得一系列原创性成果，研究结果发表在 Nature Materials（1篇）、 Nature Physics（1篇）、Phys．Rev．Lett．（1篇）、 Nature Commun．（1篇）、Adv． Mater．（5篇）、Nano Lett．（6篇）、Chem．Soc．Rev．（2篇）、J．Am．Chem．Soc．（3篇）、Appl．Phys．Let（8篇）等国际主流学术期刊上；共发表学术论文80余篇，英文期刊评论或书籍章节5篇（1篇为封面）、多项工作被 Nature及其子刊作为研究亮点报道。被引3000余次，单篇最高他引600余次，一篇被评为“2013度中国百篇最具影响国际学术论文”。已申请国家发明专利14项。相关结果得到了国内外同行积极评价和高度认可，获得国际重要学术会议30多次邀请报告。曾获得中国科学院50篇优秀博士论文（2005年）和全国优秀博士学位论文提名论文（2006年），并获得德国“洪堡’奖学金，基金委优秀青年基金（2012年），中国科学院杰出科技成就奖（2013年，集体奖，主要贡献者），国家重点领域创新团队主要成员（2014年，光电材料新效应和器件创新团队），北京市科学技术二等奖（2015年，第四完成人），国家杰出青年基金（2017年），科技部中青年科技创新领军人才（2017年）等奖项或荣誉。现为多个学术期刊如 Nature子刊、 Physical Review、J．Am．Chem．Soc，、Adv．Mater．、 Nano Lett．的审稿人。主持国家基金委杰青/面上、科技部重点研发计划等项目多项。
        刘立巍，北京理工大学副教授。长期从事微纳电子材料与器件的制备、物性及应用基础研究；近年来基于分子束外延生长、光电子能谱和扫描探针显微镜等技术，在原子尺度上针对新型二维量子材料及其异质结构的构建、物性测量和调控、器件设计和性能测试，以及应用等方面发展技术和开展基础研究。取得一系列原创性成果，主要研究结果发表在 Nature Materials（1篇）、 Nature Physics（1篇）、Nature Commun.（3篇）、Adv. Mater.（6篇）、Nano Lett.（8篇）、Nano Research（6篇）、Chem. Soc. Rev.（2篇）、Phys. Rev. Lett.（1篇）、J. Am. Chem. Soc.（3篇）、Appl. Phys. Lett.（8篇）等国际主流学术期刊上。共发表学术论文90余篇，英文期刊评论或书籍章节5篇（1篇为封面），相关结果得到了国内外同行积极评价和高度认可，多项工作被 Nature及其子刊作为研究亮点报道。被引5100余次，单篇最高他引800余次，一篇被评为“2013度中国百篇最具影响国际学术论文”。已申请国家发明专利15项。获得国际重要学术会议邀请报告30多次。曾获得的荣誉或者奖励包括中国科学院50篇优秀博士论文（2005年）和全国优秀博士学位论文提名论文（2006年），并获得德国“洪堡”奖学金，基金委优秀青年基金（2012年），中国科学院杰出科技成就奖（2013年，集体奖，主要贡献者），国家重点领域创新团队主要成员（2014年，光电材料新效应和器件创新团队），北京市科学技术二等奖（2015年，第四完成人），国家杰出青年基金（2017年），EPS（欧洲物理学会）邀请报告人奖（2017年），科技部中青年科技创新领军人才（2018年），中组部“万人计划”科技创新领军人才（2019年），中国物理学会胡刚复物理奖（2019年）等。现为 Journal of Physics: Condensed Matter等期刊编委；多个学术期刊如 Nature子刊、Physical Review、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Nano Lett.等审稿人。中国物理学会半导体物理专业委员会委员，中国真空学会理事，第八届国务院学位委员会学科评议组成员。主持国家基金委杰青项目、科技部重点研发计划、北京市基金重点专项等项目。