电荷密度波是一种宏观量子现象，表现为晶体中电荷密度的周期性调制，广泛存在于如过渡金属硫族化合物等低维量子材料中，在光电子和量子信息等方面有着重要的应用前景。作为固体电子系统中的一种集体凝聚现象，电荷密度波的微观机理和调控一直是凝聚态物理研究领域备受关注的前沿课题。最近，清华大学物理系宋灿立、马旭村和薛其坤研究团队与中科院苏州纳米所纳米真空互联实验站（Nano-X）李坊森副研究员等合作，开展了低维过渡金属硫族化合物薄膜中电荷密度波的调控研究。 

　　利用分子束外延技术在石墨化的SiC(0001)衬底上成功制备出高质量的1T-ZrSe₂和1T-ZrTe₂半导体薄膜，并结合低温扫描隧道显微镜/谱以及角分辨光电子能谱对其形貌和电子结构进行了原位测量。通过对样品厚度和掺杂的精确调控，他们在超薄ZrSe₂和ZrTe₂薄膜中发现了界面诱导的半导体-金属相变，并首次在该类材料中观察到了2 × 2的电荷密度波调制（如左图所示）。进一步研究表明，ZrSe₂和ZrTe₂电荷密度波相的电子结构和传统电荷密度波材料1T-TiSe₂显著不同，具有非常简单的费米面（右图）。在布里渊区中心Γ点没有任何能带穿越费米能，只在布里渊区的角上M点，存在源于Zr-4d轨道的电子型费米面。相似的实验现象也存在于基于1T-SnSe₂半导体薄膜的异质结体系中（Phys. Rev. B 102, 241408 (2020)）。该实验结果表明，过渡金属硫族化合物费米面上单一电子型口袋就足以产生电荷密度波，这对理解其电荷密度波机理具有重要意义。 

　　        左图: 双层1T-ZrSe₂薄膜中的2 × 2电荷密度波调制。右图: 单层ZrSe₂薄膜的能带结构。 

　　该研究成果以《Semiconductor-Metal Phase Transition and Emergent Charge Density Waves in 1TZrX₂ (X = Se, Te) at the Two-Dimensional Limit》为题发表在2022年1月3日的《Nano Letters》上。清华大学物理系博士后任明强为第一作者，通讯作者为清华大学宋灿立副教授、马旭村研究员、薛其坤教授以及中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的李坊森副研究员。合作者还包括北京应用物理与计算数学研究所的张平研究员和郑法伟副研究员。该成果获得了国家自然科学基金、国家科技部、苏州纳米技术与纳米仿生研究所Nano-X等部门的经费支持和帮助。 　 

　　此合作研究结果充分发挥了纳米真空互联实验站在低维量子材料基础研究的重要作用，目前实验站已可实现量子材料的原子级精确可控生长，原子级形貌和电子能带互联测试表征，与半导体工艺结合，有望开发低维量子材料原位器件。

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