Stabilisering af ladningstæthedsbølgefase ved grænsefladeinteraktioner

NUS-forskere har påvist, at ladningsdensitetsbølge-fasen (CDW) i H-fase tantaldisulfid (TaS) ₂ ) dobbeltlag kan stabiliseres ved stuetemperatur ved grænsefladeinteraktioner med et hexagonalt bornitrid (h-BN) substrat.

Kvantemekanikken fortæller os, at alle partikler opfører sig som bølger. Partiklernes bølgenatur er især tydelig for partikler med meget små masser, såsom elektroner. I nogle lavdimensionelle materialer, elektroner dannes sammenhængende, periodiske bølger i krystalgitteret, hvilket resulterer i bølgelignende forvrængninger i atomgitteret kaldet en CDW-fase. CDW-fasen kan udvise nye fænomener, og har en anden elektrisk ledningsevne end den sædvanlige fase, som potentielt kan føre til nye fremskridt inden for apparatapplikationer. Imidlertid, CDW -fasen eksisterer typisk ved meget lave temperaturer. Bestræbelser på at øge CDW faseovergangstemperaturen, kendt som TCDW, har fokuseret på virkningen af ​​grænsefladebelastnings- og ladningsdopanter. Imidlertid, virkningerne af sådanne ændringer på TCDW ikke har været signifikante, fordi det omfang, i hvilket CDW-fasen stabiliseres af sådanne modifikationer, er iboende begrænset.

I dette arbejde, Prof Loh Kian Pings gruppe fra Institut for Kemi, NUS, observerede tilstedeværelsen af ​​en CDW-fase ved stuetemperatur i H-fase TaS ₂ dobbeltlag, når de dyrkes epitaksialt på h-BN-substrater. Den samme CDW-fase i bulk TaS ₂ (uden h-BN-substratet) eksisterer kun ved meget lavere temperaturer, under 77 K. Ved hjælp af kvantemekaniske beregninger, Prof Quek Su Yings gruppe fra Institut for Fysik, NUS, fandt, at stigningen i TCDW primært skyldtes grænsefladeinteraktioner mellem TaS ₂ og h-BN-substratet, og i mindre grad, grænsefladebelastning.

Scanningstransmissionselektronmikroskopi og Raman-målinger gav bevis for stuetemperaturen 3 × 3 CDW-fasen for TaS ₂ når det er epitaksialt dyrket på et h-BN-substrat. TaS ₂ danner et Moiré-supergitter med h-BN. I CDW -strukturen gitterarrangementet af svovl (S) atomerne er ikke længere lige langt fra hinanden, men kan opdeles i to grupper. En gruppe har S-atomer, der er arrangeret længere fra hinanden (+), mens en anden gruppe har S-atomer placeret tættere på hinanden (-).

Densitetsfunktionsteori-beregninger på 18 forskellige stablingskonfigurationer i denne supercelle viser, at tantal- (Ta)- og S-atomerne altid er arrangeret på en sådan måde, at (+)-gruppen er centreret om det underliggende nitrogen- (N)-atom, mens (-) gruppen er centreret om det underliggende bor (B) atom. Denne observation kan forstås ud fra det faktum, at S -atomerne bærer en lille negativ ladning i TaS ₂ . De frastødes af det negativt ladede N-atom i h-BN, og tiltrukket af det positivt ladede B-atom. Dermed, Moiré elektrostatisk modulering induceret af de underliggende B- og N-atomer i h-BN-substratet favoriserer CDW-atomstrukturen i bilag (eller monolag) TaS ₂ . Denne nye mekanisme til stabilisering af CDW-fasen bekræftes af den eksperimentelle observation - at TaS ₂ tilfældigt orienteret på h-BN-substratet har ikke en stuetemperatur CDW-fase.

Prof Quek sagde, "I litteraturen, Moiré-interaktioner i 2-D-materiale heterostrukturer har resulteret i mange interessante fænomener. Dette arbejde viser, at hele spektret af sådanne fænomener stadig mangler at blive afdækket fuldstændigt. Vi kan bruge disse grænseflade Moiré-interaktioner til at konstruere kvantefasen af ​​2-D materialesystemer, og denne grad af kontrol er det, der gør atomtynde materialer så fascinerende. "