Graphene, sebagai representasi klasik dari bahan kristal atom dua dimensi, karena sifat elektronik dan fisiknya yang unik, sejak dikupas dari grafit induknya pada tahun 2004, ia telah menjadi hotspot penelitian terkenal di dunia hanya dalam beberapa tahun, yang telah memicu penyelidikan di seluruh dunia. Ledakan eksplorasi dan penelitian material kristal dua dimensi baru. Superposisi bahan kristal dua dimensi dengan sifat fisik yang berbeda sangat mungkin menghasilkan beberapa struktur bahan dan sifat fisik baru.Sebagai contoh, pada struktur laminasi heterogen graphene-boron nitride, sifat fisik baru telah diamati, menegaskan 40 Prediksi teoritis dibuat beberapa tahun yang lalu (kupu-kupu Hofstadter - pola fraktal yang sangat baik yang menggambarkan pergerakan elektron dalam medan magnet). Studi teoritis terbaru menunjukkan bahwa dengan mempelajari struktur laminasi heterogen dari isolator topologi dan superkonduktor (gelombang-s), sangat mungkin untuk mengamati partikel Majorana Fermi, yang diharapkan untuk membentuk stabil dalam komputasi kuantum topologi. Qubit memungkinkan komputer kuantum topologi yang sangat efisien, sehingga desain dan konstruksi struktur bertumpuk ini memiliki nilai ilmiah dan prospek penerapan yang sangat penting. Untuk penelitian ini, persiapan bahan berkualitas tinggi adalah kunci dan pondasinya.Bagaimana mendapatkan struktur laminasi heterogen dari bahan ini dengan sifat berbeda dan menyadari pengukuran sifat fisiknya sangat menantang.
Kelompok peneliti Gao Hongjun dari Institut Fisika, Akademi Ilmu Pengetahuan China / Laboratorium Nasional Beijing untuk Fisika Benda Terkondensasi (dalam persiapan) telah berkomitmen untuk penelitian dasar tentang persiapan, sifat fisik, dan aplikasi bahan kristal dua dimensi baru selama bertahun-tahun dan telah mencapai serangkaian hasil penelitian. Baru-baru ini, sekelompok mahasiswa doktoral Wang Yuqi dan Wu Xu, peneliti Wang Yeliang, dll berhasil mewujudkan persiapan bahan film tipis heterogen HfTe3 / HfTe5 (superkonduktor-topologi), dan mempelajari struktur dan sifat fisiknya. Dalam hal analisis dan perhitungan teoritis, mereka bekerja sama dengan Weng Hongming, Dai Xi dan Fang Zhong di institut tersebut; dalam hal analisis spektrum energi fotoelektron, mereka bekerja sama dengan Wang Jiaou, peneliti asosiasi dari Pusat Radiasi Sinkronisasi Beijing. Dalam hal analisis struktur material, kami bekerja sama dengan peneliti Chen Genfu di institut tersebut untuk melakukan eksperimen komparatif pada sampel kristal tunggal yang disediakan oleh Chen Genfu.
Pada awal desain eksperimental, mereka memperhatikan bahwa lima hafnium telluride (HfTe5) secara teoritis diprediksi menjadi isolator topologi (dengan celah energi 0,4 eV (Weng Hongming, Dai Xi dan Fang Zhong, dll., Phys. Rev. X4, 011002 (2014) )). Selain itu, sebagian besar hafnium tritelluride (HfTe3) memiliki sifat superkonduktor. Struktur hafnium tritelluride dan hafnium tritelluride memiliki kesamaan struktur, dan keduanya memiliki konfigurasi berlapis dua dimensi (Gambar 1b, 1c). Hafnium telluride dapat dianggap sebagai struktur prisma segitiga hafnium tritelluride yang dihubungkan oleh rantai telurium zigzag. Film heterogen dari hafnium tritelluride-hafnium pentatelluride diharapkan menjadi jenis baru bahan film insulator superkonduktor-topologi. Datang untuk mempelajari fenomena fisik baru seperti partikel Majorana Fermi.
Memperoleh bahan film heterogen ini merupakan prasyarat yang diperlukan untuk penelitian lebih lanjut tentang sifat fisiknya. Saat ini, metode yang umum digunakan untuk menyiapkan bahan heterostruktur dua dimensi adalah dengan mengupas bahan curah dan kemudian mentransfer tumpukannya.Namun, metode yang didasarkan pada teknologi mesin mikro ini meningkatkan kompleksitas proses persiapan, dan cacat dari film heterostruktur yang diperoleh meningkat, dan antarmuka mudah terpengaruh. Polusi, menyebabkan kinerjanya menjadi berkurang atau diubah. Oleh karena itu, sangat penting untuk menemukan metode untuk menyiapkan bahan film heterogen hafnium tiga telurida-hafnium lima telurida berkualitas tinggi. Metode sintering dapat digunakan untuk menyiapkan bahan curah fase tunggal, dan pembuatan film hafnium tritelluride setebal atom dan sampel heterogen hafnium pentatelluride belum pernah dilaporkan sebelumnya. Bagaimana mewujudkan bahan film tipis dua dimensi ini, dan merealisasikan pengukuran struktur laminasi dan sifat fisik bahan dengan sifat fisik yang berbeda (hafnium tritelluride dan hafnium pentatelluride) membutuhkan pemikiran yang cerdas. Dalam beberapa tahun terakhir, kelompok penelitian telah menggunakan epitaksi berkas molekul untuk menyiapkan bahan kristal atom dua dimensi berkualitas tinggi area luas yang terdiri dari elemen tunggal, seperti graphene, silicene, germanene dan hafnium [Adv. Mater. 21, 2777 (2009); Nano Lett. 13, 685 (2013); Nano Lett. 13, 4671 (2013); Adv. Mater. 26, 4820 (2014). Untuk pertumbuhan epitaxial senyawa dua elemen atau multi elemen, diperlukan beberapa sumber berkas sinar, peralatan lebih rumit, dan kontrol rasio elemen juga sangat menuntut. Kelompok peneliti mengusulkan untuk mengganti elemen dasar dengan sumber pancaran dan membiarkan elemen dasar secara langsung berpartisipasi dalam reaksi, yang tidak hanya menyederhanakan peralatan, tetapi juga membuat prosesnya lebih terkendali. Menggunakan teknologi ini, mereka telah berhasil menyiapkan film lapis tunggal platinum diselenide (PtSe2) dengan sifat semikonduktor berkualitas tinggi [Nano Lett. 15, 4013 (2015)]. Selain itu, mereka baru-baru ini berkolaborasi dengan kelompok profesor Universitas Tsinghua Zhou Shuyun dan menemukan bahwa film tersebut masih memiliki penguncian lapisan berputar karena efek Rashba lokal.
Bertujuan pada bahan kristal atom dua dimensi isolator superkonduktor-topologi yang dibutuhkan dan struktur laminasi, kelompok peneliti mengeksplorasi metode persiapan baru dan berhasil memperoleh tiga telurida hafnium telurida-hafnium lima telurida dalam bidang dua dimensi. Struktur berlapis yang diperluas. Proses persiapan (Gambar 1) terutama mencakup langkah-langkah berikut: a) Dalam lingkungan vakum, telurium dengan kemurnian tinggi dalam jumlah yang sesuai diuapkan dan diendapkan pada substrat hafnium logam transisi; b) sampel dianil sambil menjaga arus berkas telurium untuk menutupi Atom telurium pada permukaan substrat hafnium berinteraksi dengan atom hafnium pada substrat untuk membentuk film kristal tersusun dua dimensi hafnium pentatelluride; c) Anil sampel pada suhu yang lebih tinggi untuk membuat lapisan paling atas hafnium pentatelluride terjadi Strukturnya berubah membentuk lapisan hafnium triple telluride. Dengan mengontrol parameter eksperimental seperti suhu, struktur bertumpuk dua dimensi hafnium tritelluride-hafnium pentatelluride-metal hafnium dapat dibuat. Seluruh proses pembentukan struktur heterogen ini ditandai dan dianalisis dengan berbagai teknik, termasuk spektroskopi fotoelektron in-situ (XPS, Gambar 2), scanning tunneling microscope / scanning tunneling current differential spectroscopy (STM / STS, Gambar 3 dan 4) Tunggu. Pengukuran sifat fisik menunjukkan bahwa film hafnium lima telurida kristal yang dipesan memiliki celah pita yang jelas (Gambar 3), dan lapisan telurida tiga hafnium memiliki sifat superkonduktor (Gambar 5).
Rangkaian penelitian ini melaporkan bahwa bahan film tipis seperti keadaan kristal hafnium tritelluride-hafnium pentatelluride adalah anggota baru dari hetero kristal atom dua dimensi, dan memiliki prospek aplikasi potensial dalam pengembangan dan penelitian perangkat dan elektronik informasi di masa depan. Hasil terkait diterbitkan dalam "Advanced Materials" (Adv. Mater. 28, 5013 (2016)) dan "Nature Communications" (Nature Communications 8, 4216 (2017)).
Pekerjaan di atas didanai oleh proyek terkait dari Kementerian Sains dan Teknologi, Yayasan Ilmu Pengetahuan Alam Nasional China, dan Akademi Ilmu Pengetahuan China.
Gambar 1. (a, b, c) Diagram skematis proses preparasi film heterogen hafnium triple telluride-hafnium pentatelluride; (d) struktur atom hafnium pentatelluride lapis tunggal, (e) struktur atom hafnium triple telluride lapis tunggal dan (F) Diagram skematis dari struktur yang dilaminasi.
Gambar 2. Analisis XPS in-situ dari proses pembentukan laminasi hafnium tiga telurida-hafnium lima telurida. (A) Anil sampel yang diendapkan dengan partikel telurium pada suhu yang berbeda, atom telurium dan atom hafnium pada substrat bereaksi pada 500 untuk membentuk film hafnium pentatelluride. (B, c) Sampel disimpan pada suhu 560 ° C untuk memperpanjang waktu anil, hafnium pentatelluride di bagian atas membentuk film hafnium tritelluride, dan rasio hafnium tritelluride ke hafnium pentatelluride tetap tidak berubah setelah sekitar 5 menit.
Gambar 3. Film Hafnium pentatelluride disiapkan pada permukaan Hf (0001). (A) Diagram skematis: Sampel yang diendapkan dengan partikel telurium dianil pada ~ 500, dan atom telurium di permukaan substrat berinteraksi dengan atom hafnium di substrat untuk membentuk film hafnium pentatelluride. (B, c) Citra STM yang diselesaikan dengan atom dan model terkait. (D) Spektroskopi fotoelektron, percobaan perbandingan sampel kristal tunggal dan sampel film tipis. (E) Spektrum diferensial arus terowongan hafnium pentatelluride yang disiapkan pada permukaan Hf (0001). Kesenjangan energi yang diamati (ditunjukkan oleh panah) mengungkapkan sifat isolasi hafnium pentatelluride. (F) Hubungan antara celah pita dan ketebalan dihitung dengan DFT.
Gambar 4. Bahan laminasi Hafnium tritelluride-hafnium pentatelluride disiapkan pada permukaan Hf (0001). (A) Diagram skematis: Sampel dianil pada suhu 560, sehingga hafnium pentatelluride di bagian atas menjadi film hafnium tritelluride. (B, c) Citra STM yang diselesaikan dengan atom dan model terkait. (D) Spektrum diferensial arus terowongan dari hafnium tritelluride yang disiapkan tanpa celah energi.
Gambar 5. Spektrum diferensial arus terowongan dari bahan laminasi hafnium tritelluride-hafnium pentatelluride yang disiapkan pada permukaan Hf (0001). (A, b) Data eksperimen suhu variabel, (c, d) Data eksperimen medan magnet variabel, mengungkapkan superkonduktivitas hafnium tritelluride.
- Lima kejuaraan liga berturut-turut: Juventus Bayern menciptakan sejarah, Inggris "tetapi bukan tiga kejuaraan berturut-turut"
- Dia "membohongi" ayahnya yang berusia 70 tahun dengan kanker ke luar negeri dan melompat turun dari ketinggian 5.000 meter ...