既是一作又当通讯，最新Nature教你如何成像电子晶格

nanoCJ 3年前 (2021-10-05) 3173浏览

【背景介绍】

维格纳（Wigner）晶体是电子在低电子密度下稳定的结晶相，这一物质已使凝聚态物理学家着迷了90年。二维维格纳晶体的电传输特性在高磁场的二维电子气中被首次观察到，最近又在过渡金属二硫化物摩尔超晶格中被报道。目前，维格纳晶体是通过一些光学和电导测量的方法进行验证的。虽然传统的扫描隧道显微镜（STM）具有足够的空间分辨率，但可能会引起维格纳晶态的扰动。因此，在实空间中直接观察二维维格纳晶体依然是一个艰巨的挑战。

【成果简介】

针对上述挑战，加州大学伯克利分校的Shaowei Li（同时为共同第一作者）、Michael F. Crommie和Feng Wang（共同通讯作者）等人合作设计了一种非侵入性的STM光谱技术对WSe2/WS2摩尔异质结构中的二维维格纳晶体进行实空间成像。这种方法利用了靠近WSe2/WS2摩尔超晶格的石墨烯传感层，进入石墨烯层的局部STM隧道电流由WSe2/WS2摩尔异质结构中的底层维格纳浸提的电子晶格进行调制。研究对在部分电子填充（n = 1/3, 1/2 ，2/3）的维格纳晶格构象实现了直接可视化（其中n是每个位点的电子数）。研究发现，n = 1/3和2/3的维格纳晶体分别具有三角和蜂窝状晶格，可最大程度上地减少最近邻轨道占据情况。而n = 1/2态维格纳晶体可自发打破原始C3对称并形成条纹相。该研究为理解WSe2/WS2摩尔异质结构中的维格纳晶体状态奠定了坚实的基础，并提供了一种适用在于其他系统中成像新型相关电子晶格的方法。本文共同第一作者为Hongyuan Li和Shaowei Li，研究成果以题为“Imaging two-dimensional generalized Wigner crystals”发布在国际著名期刊Nature上。

【图文解读】

图一、WSe2/WS2摩尔异质结构中的维格纳晶体测量

（a）双门控WSe2/WS2摩尔异质结构器件示意图；

（b）在顶部石墨烯表面测量的典型大尺度拓扑图像；

（c）（b）中红色区域的放大图像，红色菱形为一个原始晶胞；

（d）当VTG=0、VBG>0时的异质结构的能带排列和费米能级示意图；

（e）当VTG=0时，在AA堆叠位点上的石墨烯传感层上测得的依赖于VBG的dI/dV光谱；

（f）当VTG>0、VBG>0时的异质结构的能带排列和费米能级示意图；

（g）当VTG=0.53V时，在AA堆叠位点上的石墨烯传感层上测得的依赖于VBG的dI/dV光谱；

（h）当Vbias=0.1V时，（g）中dI/dV光谱的垂直线切割在电子填充n =1，1/3, 1/2 ，2/3处的峰。

图二、莫特绝缘体和广义维格纳晶体成像

（a）石墨烯传感层下方WSe2/WS2摩尔超晶格中相关状态成像示意图；

（b）摩尔超晶格的典型STM图像，显示无任何变形或缺陷的完美晶格；

（c）电子填充n =1时莫特绝缘体的dI/dV图（Vbias=160 mV，VBG=30 V，VTG=0.53V）；

（d）（c）中所示图像的快速傅里叶变换；

（e）电子填充n =2/3时的广义维格纳晶体状态的dI/dV图；

（f）（e）中所示图像的快速傅里叶变换；

（g） 电子填充n =1/3时的广义维格纳晶体状态的dI/dV图;

（h）（g）中所示图像的快速傅里叶变换;

（i）电子填充n =1/2时的广义维格纳晶体状态的dI/dV图;

（j）（i）中所示图像的快速傅里叶变换。

图三、随着的Vbias增加，n =2/3的dI/dV图演变

（a-e）电子填充2/3时，广义维格纳静态的dI/dV映射测量：Vbias=130 mV（a），Vbias=145 mV（b），Vbias=160 mV（c），Vbias=175 mV（d），Vbias=190 mV（e）。

【小结】

二维维格纳晶体的实空间成像对测量技术提出了严格的要求，它必须同时具有高空间分辨率、高单电子灵敏度和对电子晶格的低扰动。然而，高灵敏度和低扰动通常是相互矛盾，因为高灵敏度需要与维格纳晶体进行强耦合，而低扰动却需要弱耦合。传统的扫描隧道显微镜测量具有出色的空间分辨率和电荷灵敏度，但由于不可避免的尖端门控效应会破坏脆弱的维格纳晶体，使得这一方法极具侵入性。因此，在上述研究中，作者设计了全新的STM成像技术，将高空间分辨率和灵敏度与最小扰动相结合，并允许在实空间中对二维广义维格纳晶体进行直接成像。该技术有望普遍适用于各种范德华摩尔异质结构，并为在二维系统中对新型相关量子相的实空间电子构象进行成像提供了强大的工具。

文献链接：Imaging two-dimensional generalized Wigner crystals, Nature, 2021, DOI: 10.1038/s 41586-021-03874-9.

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