美国新泽西州立大学Nat. Commun.: 石墨烯/1T-TaS2异质结中近邻诱导的电荷密度波

2024年9月14日，Nat. Commun.在线发表了美国新泽西州立大学Eva Y. Andrei、国立清华大学Horng-Tay Jeng和国立阳明交通大学Chung-Hou Chung课题组的研究论文，题目为《Proximity induced charge density wave in a graphene/1T-TaS₂ heterostructure》，论文的第一作者为Nikhil Tilak、Michael Altvater和Sheng-Hsiung Hung。

通常由电子-声子耦合或关联增强交换效应驱动费米面不稳定性引起的电荷密度波（CDW）态是相当鲁棒的。相比之下，接触三维金属中的近邻诱导电荷密度波（PI-CDW）是脆弱的，很容易被界面缺陷散射破坏。在惰性气氛中制备的二维异质结使用避免了界面损伤和污染，这使得通过大幅减少界面散射来解决这一难题成为可能。

然而，由于屏蔽、掺杂或应变等竞争机制，在二维异质结中明确识别PI-CDW具有挑战性，这些机制也会产生电荷调制。此外，与STS等局部探针的情况一样，共隧穿母体材料可能会掩盖近邻诱导的CDW。因此，为了证明PI-CDW，必须：(i) 证明接触材料中存在与母体材料相同周期的CDW；(ii) 排除将静电屏蔽效应误认为PI-CDW的可能性；(iii) 排除将母体CDW误认为PI-CDW的可能性。到目前为止，由石墨烯和过渡金属硫族化合物（TMD）组成二维异质结的研究无法满足明确证明PI-CDW存在的三个必要标准。

在此研究中，利用扫描隧道显微镜/光谱（STM/STS）结合密度泛函理论（DFT）计算和平均场哈密顿量来研究石墨烯/1T-TaS₂，作者证明了石墨烯中PI-CDW的存在，并阐明了两个体系之间耦合的细节。这是由于这两种材料的独特性质，1T-TaS₂中CDW和Mott能隙的共存，以及石墨烯中电子的狄拉克谱，能够区分石墨烯中的PI-CDW和宿主CDW的贡献，并排除屏蔽诱导的电荷调制。研究提出了一种基于石墨烯和1T-TaS₂中载流子之间短程交换相互作用的模型，该模型捕捉到了CDW近邻效应的主要特征。

伴随着石墨烯中的PI-CDW，观察到1T-TaS₂中的Mott能隙减小，表明存在近邻诱导的中间能隙载流子，屏蔽了Mott-Hubbard相互作用。石墨烯/1T-TaS₂体系提供了一种灵敏和区分接触诱导贡献的探针，如原子水平的电荷转移、屏蔽和交换相互作用。未来的研究使用STM/STS和自旋分辨STM等技术来关注由TMD和金属层组成异质结中的这些效应，可以为范德华界面上的关联绝缘体物理和量子相互作用提供新的见解，这对于识别新兴现象和理解通过锚定三维结构的二维材料量子输运至关重要。

图1 石墨烯覆盖1T-TaS₂的扫描隧道显微镜

图2 石墨烯与1T-TaS₂相互作用的影响

图3 共隧穿和静电屏蔽

图4 能带结构计算

论文链接

Tilak, N., Altvater, M., Hung, SH. et al. Proximity induced charge density wave in a graphene/1T-TaS₂ heterostructure. Nat. Commun., 2024, 15, 8056. https://doi.org/10.1038/s41467-024-51608-y

其他相关文献

[1] Altvater, M.A., Tilak, N., Rao, S. et al. Charge density wave vortex lattice observed in graphene-passivated 1T-TaS2 by ambient scanning tunneling microscopy. Nano Lett., 2021, 21, 6132–6138. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c01655

[2] Zhang, Z., Watanabe, K., Taniguchi, T. et al. Local characterization and engineering of proximitized correlated states in graphene/NbSe2 vertical heterostructures. Phys. Rev. B, 2020, 102, 085429. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.102.085429