Metaal-isolatorovergang (MIT), aangedreven door interacties tussen meerdere lichamen, is een belangrijk fenomeen in de fysica van de gecondenseerde materie. Exotische fasen ontstaan ​​altijd rond de overgangspunten van metaal-isolator waar kwantumfluctuaties voortkomen uit een concurrentie tussen spin-, ladings-, orbitale en roostervrijheidsgraden. Tweedimensionale (2D) materialen vormen een grote klasse materialen. Hun eenvoudige structuur, lage dimensionaliteit en zeer afstembare dragerdichtheid maken ze tot een ideaal platform voor het verkennen van exotische fasen. De veel-lichaamsinteracties zijn echter normaal gesproken zwak in de meeste 2D-materialen, en daarom trekken de correlatiegerelateerde verschijnselen gedurende een lange periode weinig aandacht in het onderzoek naar 2D-materialen. Onlangs hebben mensen ontdekt dat de interacties tussen meerdere lichamen kunnen worden verbeterd in 2D-hetrostructuren of kunstmatig gevouwen 2D-structuren. Correlatiegerelateerde verschijnselen werden aangetroffen in veel interessante systemen, zoals LaAlO₃/ SrTiO₃, gedraaid dubbellaags grafeen, enz.

De groep van Zhang Yan in het International Center for Quantum Materials (ICQM) aan de Universiteit van Peking rapporteert de ontdekking van een exotische metaal-isolatorovergang in een aan het oppervlak gedoteerd overgangsmetaal dihalcogenide 2H-MoTe₂ gebruikmakend van de hoge-resolutie hoek-opgeloste foto-elektronenspectroscopie (ARPES) en in-situ oppervlakte-alkalimetaalafzetting. Ze ontdekten dat de overgang tussen metaal en isolator verklaard kon worden door een locatie van polaronen als gevolg van de sterke elektron-fononkoppeling die versterkt wordt aan het monsteroppervlak. Dit werk getiteld “Metaal-isolatorovergang en opkomende fase in de oppervlakte-gedoteerde 2D-halfgeleider 2H-MoTe₂werd gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrief [Phys. Ds. Lett. 126, 106602 (2021)] op 12 maart 2021. Zhang Yan is de corresponderende auteur en Han Tingting, een doctoraatsstudent in ICQM, is de eerste auteur.

De experimenten werden uitgevoerd in een zelfgebouwd ARPES-systeem aan de Universiteit van Peking en Beamline BL03U in Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF). Door gebruik te maken van de oppervlaktedepositietechniek creëerde de groep van Zhang Yan een 2D metaal-halfgeleiderinterface tussen de oppervlakte- en bulklagen in 2H-MoTe₂ [Afb. 1(a)]. Wanneer dragers in de geleidingsbanden van een halfgeleider worden gevuld, stijgt over het algemeen de chemische potentiaal en verschuiven de geleidende banden star naar een hogere bindingsenergie. Echter, aan het oppervlak van 2H-MoTe₂ontdekten de onderzoekers dat de geleidingsbanden meerdere overgangen ondergaan waarbij de drager doping heeft over de metallische toestand, de gapped fase, de isolatortoestand en de slechte metaaltoestand [Fig. 1(b)]. Een dergelijke evolutie van de elektronische structuur kan niet worden verklaard door de verandering van het chemische potentieel of de degradatie van het oppervlak, wat het bestaan ​​suggereert van een exotische metaal-isolatorovergang aan het oppervlak van 2H-MoTe.₂.

Verder onderzoek wees uit dat het oppervlak van 2H-MoTe₂ vertoont een ingewikkeld fasediagram [Fig. 2(a)], dat lijkt op de fasediagrammen van een kwantumfase-overgang aangedreven door interacties met veel lichamen. Ondertussen lost de gedetailleerde spectrumanalyse het bestaan ​​van replicabanden op [Fig. 2(b)] die normaal gesproken wordt gezien als een vingerafdruk van een sterke elektron-fononkoppeling. Gecombineerd met de waargenomen energierenormalisatie van spectra en de evolutie van banddispersie concluderen de onderzoekers dat de elektron-fononkoppeling sterk is verbeterd op het oppervlak van 2H-MoTe.₂. Elektronen worden gekleed door roosterexcitaties en vormen polaronen. De polaronen lokaliseren zich vervolgens als gevolg van verstrooiing van onzuiverheden of wanorde, wat de waargenomen metaal-isolatorovergang aandrijft.

Dit werk laat zien hoe een gecompliceerde overgang van metaal naar isolator kan optreden op het oppervlak van een eenvoudige tweedimensionale halfgeleider. Aan de ene kant benadrukken de resultaten het aan het oppervlak gedoteerde 2H-MoTe₂ als een sterk kandidaatmateriaal voor het realiseren van polaronische isolator, polaronische uitgebreide toestand en supergeleiding met hoge Tc. Aan de andere kant laten de experimenten zien dat de afzetting van alkalimetaal op het oppervlak de interacties tussen veel lichamen in tweedimensionale halfgeleiders kan verbeteren, wat een nieuwe manier opent voor het onderzoeken van de correlatiegerelateerde verschijnselen in tweedimensionale materialen. Dit werk werd ondersteund door de National Natural Science Foundation of China, het National Key Research and Development Program van China.

###

Coinsmart. Beste Bitcoin-beurs in Europa
Bron: https://bioengineer.org/an-exotic-metal-insulator-transition-in-a-surface-doped-transition-metal-dichalcogenide/