轨道之间的空间反相分布关系，阐明了单层1T-NbSe2中UHB态的能量与自旋极化特性。每个亮斑具有自旋极化特性，有望作为低功耗的信息存储点，信息点间距为1.25 nm，自旋信息存储密度高达480 Tb/inch2(每平方英寸480兆兆比特)。成反相对应，即CDW单胞中心位置处没有UHB信号，而在CDW单胞中心的周边位置，存在明显的UHB信号(图2d)。实验和理论计算结果表明，1T-NbSe2为莫特绝缘体，UHB的能量在+0.2 eV位置，并且为自旋极化态。
基于莫特绝缘相，电荷密度波等新奇效应构建的纳米器件（例如离子场效应晶体管、电压振荡器、超快开关或存储器）在下一代纳电子器件及集成中具有广阔的应用潜力。理解层状材料中的电荷密度波与莫特绝缘体的相互关系是国际前沿研究的热点和难点，当前研究工作主要集中在传统块状晶体上。
北京理工大学刘立巍副教授、王业亮教授等选择新型二维材料单层体系，通过分子束外延(MBE)技术构筑出高质量的单层1T-NbSe2纳米岛，利用扫描隧道显微镜、扫描隧道谱(STM/STS)在空间、能量尺度上的超高分辨能力测量和分析其莫特绝缘相、电荷密度波和自旋极化的关联效应。
1.利用扫描隧道显微镜、扫描隧道谱(STM/STS)在空间、能量尺度上的超高分辨能力研究了莫特态的上哈伯德带(Upper HubbardBand，UHB)和CDW的
2.相对于CDW超格子，UHB态存在新的有序超格子（周期为√3 × √3 R30°）。为研究二维面内自旋序，量子自旋液体等新奇量子材料的效应提供了新的平台。
3.在莫特态的带隙中探测到类似CDW超晶格的原子图案，表明CDW超晶格在没有莫特Hubbard带的贡献也存在，为深入理解CDW与莫特绝缘相之间的关联提供了新的实验依据。
该研究成果于2021年3月30日以”Direct identification of Mott Hubbard band pattern beyond charge density wave superlattice in monolayer 1T-NbSe2”为题发表于Nature Communications。论文第一作者兼通讯作者为北京理工大学的Liwei Liu(刘立巍)。
图1. MBE制备的单层1T-NbSe2以及形成的CDW超格子图案
首先，作者发展生长工艺，精细控制MBE生长中Nb源、Se源的束流比、生长速率与基底温度等参数，在碳化硅外延生长的双层石墨烯(BLG/SiC(0001))衬底上生长出大面积高质量1T-NbSe2单晶薄膜(单个纳米岛的尺寸能够达到140nm以上)。
图2. 单层1T-NbSe2几何结构与电子结构的空间分布的研究
作者利用STS获得样品表面的局域电子态(Local Densityof States, LDOS)。发现LDOS中有四个重要的电子态，并随CDW图案呈现空间变化。莫特态的下哈伯德带(LHB)与价带(VB)高度杂化，被命名为V1、V2。而UHB态在不仅在空间分布上有周期性，且与CDW的
图3. UHB图案的空间分布研究以及局域的UHB的超周期
作者进一步研究电子态的空间分布，探测到了不同空间位置的STS点谱以及不同偏压下的STM图像。测量结构表明，在UHB能量下，STM图像在CDW的top位点(图3d，黄点)处于凹陷状态，总体呈现明亮的花瓣状图像，与图2d的线谱结果吻合。此外，图像显示UHB态存在超周期(图3e)，相对CDW超周期形成了√3 × √3R30°超结构，通过快速傅里叶变换FFT分析，清晰地分辨出CDW和√3超周期两种斑点。作者进一步排除了基底几何效应(如摩尔图案)、相对基底的旋转角度等因素的影响。由于UHB具有自旋极化特征，该单层1T-NbSe2有望作为研究反铁磁或量子自旋液体的理想平台。
图4. 莫特绝缘体带隙中电导态的精细探测，在带隙探测到了有序CDW图案，随偏压变化有对比度的变化
作者进一步探索了Mott带隙中费米能级附近的能态，发现1T-NbSe2在±50 meV内存在清晰有序的CDW图案，表明该类材料的CDW在没有莫特Hubbard带的贡献而存在。这是首次在二维TMD中，同时探测到莫特带隙中的电导态、随偏压变化的CDW图案以及原子晶格。
参考文献：
Liu, L., Yang, H., Huang, Y. et al. Direct identification of Mott Hubbard band pattern beyond charge density wave superlattice in monolayer 1T-NbSe2. Nat. Commun. 12, 1978 (2021).
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-22233-w
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