二维半导体Cr₈Se₁₂的合成和类笼目能带的实验观测 | 进展

材料的电子结构受其几何结构和材料维度的影响。一些具有特殊几何构型的晶格，如笼目晶格、Lieb晶格、着色三角晶格等，具有电子阻挫效应产生的无色散的能带，即平带，其中存在丰富的电子关联效应。最近，人们在三维笼目金属中已经观察到多种关联电子态，例如巨大的反常霍尔效应、量子自旋液体、手性电荷密度波和非常规超导等。另一方面，与半导体工业中常用的三维半导体相比，二维半导体由于良好的开关性能和更强的库仑相互作用而受到了高度关注，有望用于制备新一代量子器件。然而，在二维半导体中引入几何阻挫导致的电子关联效应仍然是一个挑战。以笼目晶格为例，二维笼目晶格材料由于生长制备的困难导致相关的实验研究十分缺乏。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心SF09组的冯宝杰副研究员和陈岚研究员长期从事低维拓扑材料的制备和物性调控，近年来发现了多种具有奇特晶格的材料，比如呼吸笼目晶格Nb3Cl8 [Nano Lett. 22, 695 (2022)]，一维和二维Su-Schrieffer-Heeger晶格[Nano Lett. 22, 695 (2022); Nat. Commun. 13, 7000 (2022)]以及二维棋盘晶格Cu2N [Nano Lett. 23, 5610 (2023)]等，并发现了其中存在丰富的拓扑电子态。最近，他们与新加坡国立大学的陈伟教授、A. T. S. Wee教授、浙江大学物理学院苟健研究员合作，利用MBE生长出了一种新型的二维半导体Cr8Se12，发现该材料具有新奇的CT晶格。该晶格可以通过将笼目晶格进行扭曲获得，其中存在类似笼目晶格的能带结构。他们利用扫描隧道显微镜（STM）和非接触式原子力显微镜（nc-AFM）技术确认了该材料的原子结构，并且利用ARPES和STS证实了该材料存在约0.80eV的能隙和接近价带顶的范霍夫奇点。结合第一性原理计算，他们进一步发现Cr8Se12中的奇特能带主要源于表层Se原子的pz轨道，并且受下方的蜂窝状的Cr晶格调制，从而形成交替的电子跃迁。

图 着色三角形晶格与二维半导体Cr8Se12的物性表征

该研究报道了一种新型的二维半导体材料Cr8Se12，不仅丰富了二维磁性和拓扑材料的种类，而且为深入研究几何阻挫导致的强关联物理提供了新的平台。

本工作受到了北京市自然科学基金、中国科学院先导B和青年团队计划的资助。新加坡国立大学陈伟教授、A. T. S. Wee教授，中国科学院物理所冯宝杰副研究员，浙江大学苟健研究员，新加坡科技研究局Lin Ming教授为共同通讯作者，新加坡国立大学博士后段嗣盛和尤景阳、中国科学院物理所博士生蔡志浩，浙江大学苟健研究员为本研究的共同第一作者。相关成果以 “Observation of kagome-like bands in two-dimensional semiconducting Cr8Se12”为题，在线发表在国际学术期刊《Nature Communications》上。

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