今日Nature: 张翔中国学生发现二维硫族化物电控结构相变

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二维过渡金属硫族化物2H结构

以二硫化钼为代表的二维过渡金属硫族化物是继石墨烯之后的又一大研究热点，吸引了材料科学、凝聚态物理、和微电子器件等诸多领域研究人员的广泛关注。和石墨相似，过渡金属硫族化物呈层状结构，层间以弱的范德华力结合，因此能够通过机械剥离的方式得到二维材料。但与电导体的石墨烯不同，二维过渡金属硫族化物是具有带隙的半导体材料，因而蕴含着更加丰富的物理现象和应用前景，并催生了一个全新的谷电子学领域。如上图所示，二维过渡金属硫族化物通常处于稳定的2H相，其中过渡金属呈六边形分布，夹于两层硫族元素中间。该相具有直接带隙和谷电子自由度，且不具备对称中心，因而在谷电子学和光电子学都具有潜力。 王中林 组此前也曾利用二硫化钼的压电性做纳米发电机，论文发表于 Nature ，如下图所示。而张翔组也曾在 Nature  Nanotechnology 报道运用原子力显微镜定量测量二硫化钼的压电系数。

王中林MoS2纳米发电机

MoTe2 的2H和1T’结构

有意思的是，二维过渡金属硫族化物也可能存在1T’相，如上图所示，其中硫族元素形成8面体，将过渡金属元素包裹其中。1T’相呈半金属或者金属性，具有中心对称性，并被预言有非平凡的拓扑态。因此，如果能够动态可控调节2H和1T’两相之间的转变，则既可揭示其中非常丰富的物理现象，也可带来新的应用前景，如新型存储元件、构型可变的微电子器件、和拓扑三极管。

离子门场效应三极管示意图

在这篇文章中，张翔组研究的是MoTe2，其2H-1T’相变此前研究者曾通过温变、辐照、和元素掺杂在几层MoTe2中实现。受此前的理论预测启发，张翔组构造了如上图所示的离子门场效应三极管，通过门电压向单层的MoTe2注入电子。这些多余电子占据2H的导带，能量较1T’相高数百毫伏，因而拉高2H的能量。因此，在高注入浓度的情形下，这些额外的电子可能使得2H的能量高于1T’，从而诱导2H-1T’结构相变。不得不说，这一构思相当巧妙。

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