张远波课题组在强关联二维材料研究中的进展发表于《自然•纳米技术》
发布时间: 2015-02-08     文章作者:     访问次数: 2376

张远波教授课题组通过一种新的实验方法——可控电荷插层,实现了对强关联二维材料1T—TaS2晶体相变的全面研究。1月26日,相关研究论文Gate-tunable phase transitions in thin flakes of 1T-TaS2(二硫化钽薄层中的可控相变)发表于Nature子刊Nature Nanotechnology(《自然•纳米技术》)。论文第一和第二作者分别为我系2012级博士生於逸骏和2011级博士生杨昉原。该课题组一年内在纳米技术领域国际顶尖学术期刊Nature Nanotechnology发出两篇论文。

成果:全新研究方法让纳米材料“七十二变”

目前人们广泛关注的二维材料绝对大多数都是半导体,譬如材料领域最红火的石墨烯、二硫化钼等,但对于强关联二维材料的研究还远没有引起应有的重视。

强关联材料的性质比半导体材料更复杂丰富,不同于半导体材料内部电子可以被认为是独立运动,相互不产生影响,强关联材料内部电子之间存在很强的相互作用。这种电子或者电子与声子之间的强相互作用,导致了许多新奇的物理现象,如超导、金属-绝缘体转变、量子相变等等。强关联电子体系一直是材料学、物理学等领域的一个研究热点和难点。直到现在,各学科仍在该体系进行合作研究,以了解强关联电子材料复杂的物理现象及其背后的物理机制。

图说:左上图:锂离子插层的1T相二硫化钽(1T-TaS2)的原子结构。左下图:基于1T-TaS2的离子场效应管(ionic field-effect transistor)的结构示意图。中间图:1T-TaS2关于厚度和温度的相图;ICCDW,NCCDW,CCDW代表不同的电荷密度波相。右图:1T-TaS2在三维极限下关于温度和栅极电压的相图;ICCDW,NCCDW,CCDW代表着不同的电荷密度波相,SC是超导相。


复旦大学张远波课题组和中科大陈仙辉等其它课题组另辟蹊径,开展对强关联二维材料1T—TaS2的研究。课题组发现1T—TaS2二维材料中的电荷密度波可以通过改变样品的维度来进行调控。张远波课题组还发展了一个全新的电荷调控的实验方法:通过门电压对层状样品进行可控的锂插层,可以把样品电子浓度调控到前所未有的水平。

这个新方法,课题组观测到1T—TaS2二维材料中的电荷密度波以及超导相对电子浓度极其敏感,从而首次得到了1T—TaS2的完整相图。这项实验大大加深了当前对1T—TaS2中电荷密度波和超导相的理解和调控能力。

“我们的调控办法类似于电池的充放电过程。当充上电,材料的物性就会改变;不同程度的电量,材料的物性都不一样。通过调整‘电量’,可以让材料变得更导电或者更绝缘、有超导功能或者没有超导功能,实现材料的‘七十二变’。”张远波介绍。

经过:一次意外的“邂逅”

谈起“电荷调控”这个新方法的发现,张远波笑称,是一次意外。“我们原本采用的研究方法发现行不通,实验失败了。但是失败的数据里面有一些特别的现象。在集体讨论时,逸骏提出了这个问题。我们讨论研究后,觉得可以沿着这个新的方向做下去。尝试下去后,居然就发现了电荷调控的方法。”张远波说。

对于这种科研过程中的“意外邂逅”,非科研工作者觉得很奇妙,张远波却很平常心,“这种情况在科研工作中很常见。预想的路走不通是经常的,重要的是,在此路不通的时候要总结分析,找到新的方向。”

张远波提到的分析失败实验的“集体讨论”,是课题组每周会有一次的小组会讨论,实验室所有的研究生都会与张远波“围炉”探讨实验问题。只要在学校,张远波每天也会排出时间与学生讨论研究进展。

此次论文的第一作者於逸骏,他也是8个月前张远波课题组另一篇Nature Nanotechnology论文的第二作者。作为学生一年两篇论文发表在国际顶尖学术期刊上,这样的成绩在张远波认为“很正常,因为学生们都很勤奋,很优秀”。

背景:聚焦前沿材料的青年基础物理学家

石墨烯、黑磷、强关联二维材料……这些当代纳米材料领域的一些新型材料,都是张远波的研究方向。

张远波是复旦大学物理系教授。他立足学科前沿,于2011年毅然回国发展,年仅33岁受聘复旦教授,同年入选国家“青年千人计划”。他以实验凝聚态物理为研究方向,发展新的样品制备和探测手段来研究其它低维度系统的结构和电学性质,在极端物理条件下(极低温度,超强磁场)用电子输运的办法来观察所有这些低维电子体系的电学特性等方面做出了杰出的贡献,在国际顶级期刊发表多篇科研论文。

在回国前,张远波已从事石墨烯研究近十年,2012年起,他带领其课题组开展黑磷材料研究。2014年3月,张远波课题组与科大陈仙辉课题组合作成功制备出基于新型二维晶体黑磷的场效应晶体管器件,继石墨烯、二硫化钼之后,为二维晶体材料家族增添了一位新成员。相关学术论文发表于Nature Nanotechnology杂志。

张远波课题组进一步开拓研究方向,关注起强关联二维材料。一年不到,发出了Nature Nanotechnology杂志的第2篇论文。

“物理系的氛围很宽松、很融洽,让我可以安心做研究。”谈起回国4年的科研工作,张远波觉得当初选择回国发展的决定很正确,尤其选择在复旦发展的决定是正确的。“当年学校给我们配备了科研启动资金等一系列资源,这些offer比同期国外提供的offer更好,因此我选择了复旦。正是有了资金、人力等支持,我顺利建立起了自己的实验室。”

科研工作的下一步,张远波表示,会尝试用电荷调控的方法研究其他二维材料的物性。希望这种方法能对相关领域的科学研究起到借鉴作用。



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