寧波材料所在低維量子功能材料電子結(jié)構(gòu)研究方面獲得重要進展
自從石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，二維材料由于具有迷人的特性和廣泛的應用前景而得到了研究者的關注。受到石墨烯的不尋常特性與其平面蜂窩狀結(jié)構(gòu)密切相關的啟發(fā)，目前已有許多二維蜂窩狀材料，如硅烯、鍺烯和磷烯等，得到了廣泛的研究。然而，大多數(shù)已報道的二維蜂窩狀材料是由p電子元素組成的，而由d電子元素組成的二維蜂窩狀材料卻很少見。許多具有d電子的過渡金屬元素可以以自旋極化磁性離子的形式存在。因此，利用過渡金屬的二維蜂窩狀材料有望于實現(xiàn)二維磁性，它們是二維鐵磁體的強力候選者。
第一個過渡金屬的蜂窩狀結(jié)構(gòu)是生長在Ir（111）襯底上的鉿烯。同許多其它過渡金屬的單層蜂窩狀材料類似，理論預言，鉿烯于其布里淵區(qū)的K點具有狄拉克錐型的電子結(jié)構(gòu)以及可能具有鐵磁特性。不過，也有一些理論計算認為，鉿烯的狄拉克錐型電子結(jié)構(gòu)可能會被Hf原子和襯底Ir原子之間的比較強的相互作用所淬滅，其鐵磁特性也會被抑制。因此，利用角分辨光電子能譜（ARPES）觀測鉿烯的電子結(jié)構(gòu)的直接實驗證據(jù)就顯得很重要，可以解決以上理論計算的爭議。
中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所量子功能材料團隊何少龍課題組肖紹鑄等人利用角分辨光電子能譜（ARPES）直接測量了在襯底Ir（111）上生長的鉿烯（hafnene）的電子結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，在費米能級附近，Ir襯底上的鉿烯（hafnene）的電子結(jié)構(gòu)是簡單的位于布里淵區(qū)Γ點的拋物錐型電子口袋（electron pocket），如文末圖所示，可以視為二維電子氣的能帶結(jié)構(gòu)，電子有效質(zhì)量為1.8 me,電子氣密度為7 × 1014 cm-2。結(jié)合理論計算分析，研究人員認為，自旋軌道耦合（SOC）和鉿原子的較強的Hubbard相互作用的存在抑制了先前理論預測的狄拉克錐型電子結(jié)構(gòu)；鉿烯中的鉿原子和襯底的銥原子之間的相互作用淬滅了鉿烯中的大部分能帶，以致幸存的能帶為二維電子型的能帶。此研究結(jié)果具有兩方面的重要意義：一方面，hafnene/Ir（111）界面出現(xiàn)的二維電子氣型能帶結(jié)構(gòu)為與襯底有相互作用的強耦合二維系統(tǒng)的電子結(jié)構(gòu)提供了新的見解；另一方面，為了探索鉿烯的本征電子結(jié)構(gòu)，需要通過更換襯底或者采取類似石墨烯研究中通常采用的插層方法來避免襯底的影響。此研究為基于鉿烯以及其它過渡金屬蜂窩狀材料的潛在器件應用提供了關鍵信息。
該工作以“Direct evidence of two-dimensional electron gas-like bandstructures in hafnene”為題發(fā)表在Nano Research期刊上,并被選為封底文章（線上版本鏈接：https://rdcu.be/cDjcc）。該工作得到國家重點研發(fā)計劃（2017YFA0303600、2020YFA0308800）、國家自然科學基金（11974364、11674367、U2032207、92163206、11974045、61725107）、浙江省自然科學基金（LZ18A040002）、寧波市自然科學基金（2018B10060）和寧波3315項目的支持。
二維鉿烯中的2D電子氣（藍色小球為鉿原子，拋物線形的為鉿烯中2D電子氣色散示意圖）
?。{米實驗室 肖紹鑄）