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轉(zhuǎn)載自公眾平臺：南科大物理系

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近日，南方科技大學(xué)物理系、量子科學(xué)與工程研究院副教授劉暢課題組與南方科技大學(xué)物理系副教授趙悅、劉奇航課題組合作，在阻塞原子絕緣體電子結(jié)構(gòu)研究中取得進(jìn)展，相關(guān)成果以“Spectroscopic signature of obstructed surface states in?SrIn₂P₂” 為題發(fā)表在期刊《自然·通訊》(Nature Communications) 上。

在固體表面，電子的波函數(shù)在空間上是被限制在真空與樣品的邊界處的，因而產(chǎn)生了與體材料不同的低維色散，這就是平常所說的“表面電子態(tài)”。表面態(tài)的性質(zhì)通常是由表面原子位點(diǎn)的物理和化學(xué)環(huán)境所決定的。也就是說，表面的原子定義了表面。

人們普遍認(rèn)為，當(dāng)普通絕緣體形成表面終端時(shí)，最頂層的原子以及它周圍的電子云要么是被完全剝離的，要么是完好無損的（圖 1a）。然而，最近研究人員通過理論預(yù)言了一類新型絕緣體，它們的基態(tài)電荷中心位于一些沒有原子存在的“空位點(diǎn)”（例如兩個(gè)范德華原子層的中間位置）。如果樣品的天然解理面恰好通過這些位點(diǎn)，那么每一個(gè)空位點(diǎn)將存在“半個(gè)電子”（這種現(xiàn)象也被稱為“填充異?！?，圖 1b），因而，在樣品的界面或疇壁處會形成固定攜帶一半電荷的“阻塞表面態(tài)”，這與 Su-Schrieffer-Heeger 模型的三維版本非常相似。由于其半填充的屬性，這種新奇的表面態(tài)必然穿過費(fèi)米能級，使界面導(dǎo)電（圖 1c）。存在阻塞表面態(tài)的絕緣體被稱為“阻塞原子絕緣體”。理論上，它存在于各種材料中，例如電子化合物、高階拓?fù)浣^緣體和析氫反應(yīng)電催化劑等。原則上，這些半填充的空位點(diǎn)對配體吸附和電子轉(zhuǎn)移具有活性，使阻塞原子絕緣體成為表面催化和相關(guān)應(yīng)用的理想平臺。在某種意義上，可以認(rèn)為阻塞原子絕緣體的出現(xiàn)推廣了“表面”的定義，也就是說，表面的電子態(tài)定義了表面。

南科大物理系在阻塞原子絕緣體電子結(jié)構(gòu)的研究中取得進(jìn)展

圖1 普通絕緣體 (a)，阻塞原子絕緣體 (b) 和阻塞表面態(tài) (c) 的示意圖。

根據(jù)第一性原理計(jì)算，SrIn₂P₂就是這樣的一種阻塞原子絕緣體。它的天然解理面為 (0001) 面，恰好切過前述的“空位點(diǎn)”（又稱為“阻塞瓦尼爾電荷中心”）。因而，假如樣品的表面不發(fā)生重構(gòu)的話，研究人員應(yīng)該能夠觀察到金屬性的阻塞表面態(tài)。在本論文中，研究人員利用掃描隧道顯微鏡 (STM)、角分辨光電子能譜 (ARPES) 和第一性原理計(jì)算 (DFT) 系統(tǒng)研究了SrIn₂P₂的電子結(jié)構(gòu)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)事情并沒有這么簡單。通過SrIn₂P₂的 (0001)解離面上的STM形貌研究發(fā)現(xiàn)了條紋狀的表面形貌和√3 × 1的表面重構(gòu)，說明SrIn₂P₂的表面并不是一個(gè)理想的阻塞原子絕緣體表面（圖2a）。掃描隧道譜的結(jié)果進(jìn)一步表明，在整個(gè)樣品表面，在費(fèi)米面以上1 eV左右都存在一個(gè)寬度只有0.4 eV的強(qiáng)微分電導(dǎo)峰以及電導(dǎo)峰之上的負(fù)微分電導(dǎo)區(qū)間（圖2a）。這證實(shí)了雖然金屬性的表面態(tài)不存在，但存在一個(gè)實(shí)空間局域的表面電子態(tài)，并且很可能與阻塞瓦尼爾電荷中心相關(guān)。對于費(fèi)米面以下的電子態(tài)，研究人員通過ARPES研究發(fā)現(xiàn)了具有線性色散的表面態(tài)能帶（圖2b）。因此，我們在SrIn2P2的表面沒有發(fā)現(xiàn)通過費(fèi)米面的導(dǎo)電的電子態(tài)，而是觀察到了兩支在能量上分離的表面態(tài)。結(jié)合第一性原理計(jì)算，研究人員發(fā)現(xiàn)理論預(yù)言的阻塞表面態(tài)在表面重構(gòu)的過程中會絕熱演化成實(shí)驗(yàn)觀測到的分居費(fèi)米面上下的兩支表面態(tài)（圖2c）。重要的是，在演化過程中，表面態(tài)與阻塞瓦尼爾電荷中心的對應(yīng)關(guān)系保持不變，這解釋了費(fèi)米面以上表面態(tài)分支的實(shí)空間局域性質(zhì)。

圖2 綜合利用STM、ARPES和DFT研究SrIn2P2的電子結(jié)構(gòu)。a STM形貌圖和特征掃描隧道譜，顯示√3 × 1表面重構(gòu)、費(fèi)米面以上的強(qiáng)微分電導(dǎo)峰以及電導(dǎo)峰之上的負(fù)微分電導(dǎo)區(qū)間。b ARPES能帶圖，顯示線性色散的表面態(tài) (SS)。c DFT計(jì)算得到的表面電子密度（上圖）和能帶結(jié)構(gòu)（下圖）。STM觀察到的微分電導(dǎo)峰對應(yīng)表面態(tài)的上支，ARPES觀察到的線性色散電子態(tài)對應(yīng)表面態(tài)的下支。

該工作首次揭示了阻塞原子絕緣體的電子結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)了實(shí)空間局域的表面電子態(tài)，對未來阻塞原子絕緣體的進(jìn)一步研究和新的表面催化劑開發(fā)具有指導(dǎo)意義。

該論文的共同第一作者為南方科技大學(xué)物理系2020級博士研究生劉祥瑞、博士后鄧翰賓和2019級博士研究生劉云天。劉暢、趙悅和劉奇航副教授為共同通訊作者。南科大為論文第一單位。本課題的開展和完成得到國家自然科學(xué)基金、廣東省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目和南方科技大學(xué)理學(xué)院重點(diǎn)項(xiàng)目等的大力支持。

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南科大物理系在阻塞原子絕緣體電子結(jié)構(gòu)的研究中取得進(jìn)展

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