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导读
二维过渡金属二硫族化合物（TMDs）因其良好的物理化学特性，在光电子学、催化、传感、磁学和能量存储等许多领域有着广阔的应用前景。TMDs中少量缺陷便会对材料性能产生显著影响，引入本征材料所不具备的新功能。例如缺陷作为催化活性位点提高电催化性能、诱导局域磁矩以及实现气敏化学传感等。结构缺陷引入的电势散射和诱导磁矩产生的自旋散射都会深刻影响电子输运过程，而电子输运是决定材料物理化学性质的基本过程。因此，将单个结构缺陷与电子特性相关联是理解电子散射传输机制的关键，但在原子尺度上对缺陷进行表征和调控存在难度。
近期，华中科技大学付英双教授团队利用扫描隧道显微镜（STM）对双层MoSe2中点缺陷的振动态和自旋态实现了原子级尺度的测量与调控。团队通过分子束外延方法在石墨烯衬底上生长了双层MoSe2样品，并利用高温退火产生了丰富的点缺陷。其中类型1和类型2缺陷为反位缺陷MoSe，类型3和类型4为空位缺陷VMo [图1(a-h)]。四种缺陷都在体能带的带隙中产生多个缺陷态[图1(i, j)]。
图1. 四种点缺陷的形貌图和隧穿电导谱
缺陷态与特定振动模式强烈耦合，通过Franck-Condon机制在隧穿电导谱中表现出一系列等能量间距的振动峰。一些缺陷态与单个振动模式耦合，表现出标准的振动谱型；另一些缺陷态则同时与两种振动模式耦合，组合出比较异常的振动谱型。同时，由于STM针尖-缺陷-衬底形成了一个双势垒隧道结（其中STM针尖和缺陷之间的真空能隙为一个势垒，缺陷和衬底之间的MoSe2半导体层为另外一个势垒），两个势垒的隧穿比可以通过调整针尖-缺陷距离来改变，从而可以调制振动峰的强度。燕山大学的田广军教授利用相应的速率方程模拟重现了振动峰强度的变化[图2]。
图2. 受针尖-缺陷距离调制的缺陷振动谱
此外，结合实验结果和第一性原理计算，可以证明这些缺陷分别是具有不同电荷态的反位缺陷MoSe和金属空位缺陷VMo。计算表明缺陷具有多个绝缘能隙内的杂质态，并会诱导出2 µB 的局部磁矩，模拟的STM图像也与实验特征一致[图3(a-f)]。实验上在极低温强磁场环境下通过具有高能量分辨率的自旋翻转非弹性隧穿谱的测量，进一步强有力地证实了局域磁矩的存在[图3(g-h)]，从而实现了单个原子缺陷自旋态的直接确定测量。
图3. 缺陷的第一性原理计算和局域磁矩测量
这项工作研究了双层MoSe2上的反位缺陷MoSe和单金属空位缺陷VMo的振动特征和局域磁性。不仅在原子尺度上直接表征了缺陷的局域磁性，还将单电子输运过程的研究拓展到了点缺陷中，加深了对缺陷性质的理解，并为缺陷工程功能化和自旋催化应用奠定了基础。
相关研究成果以“Vibrational and Magnetic States of Point Defects in Bilayer MoSe2”为题发表在Journal of the American Chemical Society期刊上。文章的第一作者为华中科技大学的范凯博士和中科院物理研究所的王慧敏博士，通讯作者为华中科技大学的付英双教授和燕山大学的田广军教授。
文献详情：
Vibrational and Magnetic States of Point Defects in Bilayer MoSe₂
Kai Fan，Huimin Wang，Ziwei Ma，Wen-Ao Liao，Wen-Hao Zhang，Chao-Fei Liu，Sheng Meng，Guangjun Tian*，Ying-Shuang Fu
J. Am. Chem. Soc. 2024
https://doi.org/10.1021/jacs.4c11075
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