層狀金屬硫族化合物電子結(jié)構(gòu)及其調(diào)控的角分辨光電子能譜研究.pdf

1、層狀金屬硫族化合物是繼石墨烯的發(fā)現(xiàn)后，受到廣泛關(guān)注的一大材料體系，在物理、化學(xué)和材料等領(lǐng)域中處于研究前沿的位置。層狀金屬硫族化合物具備著由范德瓦耳斯力支撐的、層層堆垛的層狀結(jié)構(gòu)以及面內(nèi)方向上的二維平面結(jié)構(gòu)。一方面，它易于被剝離成各種N原子層數(shù)(N≥1)的具有不同物理和化學(xué)特性的材料，能夠被廣泛應(yīng)用于電子、光電子和催化等領(lǐng)域;另一方面，這類材料具備豐富的化學(xué)組成以及諸多奇特的物理性質(zhì)，如電荷密度波(CDW)、超導(dǎo)、磁性和激子絕緣體轉(zhuǎn)變等。

2、層狀金屬硫族化合物優(yōu)于石墨烯的地方在于它克服了石墨烯沒有帶隙的缺點。而且，某些材料還表現(xiàn)出從塊材的間接帶隙半導(dǎo)體到單層的直接帶隙半導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變特性（如MoS2）。更重要的是，層狀金屬硫族化合物的物理和化學(xué)特性可以通過多種手段進(jìn)行調(diào)控，包括缺陷、插層、替代、層數(shù)及界面相互作用（類似異質(zhì)結(jié)）等。通過這些調(diào)控手段，不僅可以精確控制其物理性質(zhì)，而且還有望發(fā)現(xiàn)其它未知的新奇特性。可調(diào)厚度、二維面內(nèi)平整性、有限的帶隙、合適的載流子遷移率，特別是可控的

3、物理和化學(xué)特性，使得層狀金屬硫族化合物成為各應(yīng)用領(lǐng)域炙手可熱的一類材料體系。
　　層狀金屬硫族化合物的各種物理和化學(xué)特性往往與材料內(nèi)部電子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，而角分辨光電子能譜(ARPES)技術(shù)是研究單晶材料電子結(jié)構(gòu)的一個至關(guān)重要的工具，它在理解電子與電子或其它量子自由度之間的相互作用機(jī)理方面起著巨大的作用。本論文利用角分辨光電子能譜技術(shù)對層狀金屬硫族化合物的電子結(jié)構(gòu)及其調(diào)控進(jìn)行了一些研究，主要的發(fā)現(xiàn)如下:
　　1.利用ARPES

4、技術(shù)，我們研究了由雙重原生缺陷法制備的T-TiSe1.8材料的電子結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)Se原子空位缺陷的引入導(dǎo)致體系的價帶和導(dǎo)帶之間帶隙的打開。同時，我們發(fā)現(xiàn)導(dǎo)帶電子對RCP和LCP光的響應(yīng)不同，這方面需要進(jìn)一步探索其中的物理原因。
　　2.我們研究了Cu插層對ZrSe2體系電子結(jié)構(gòu)的影響(母體ZrSe2和Cu0.07ZrSe2)。我們發(fā)現(xiàn)隨著Cu的插層，更多的電子填充到了導(dǎo)帶，使得體系從半導(dǎo)體態(tài)轉(zhuǎn)變到了金屬態(tài)。同時，Cu的嵌入僅微弱地增大

5、了材料的層間距，而幾乎對體系的晶格結(jié)構(gòu)構(gòu)型和整體能帶色散沒有影響。從所得ARPES數(shù)據(jù)，我們確定出ZrSe2材料具有0.77eV的間接帶隙，這與理論計算十一分吻合。
　　3.利用ARPES和其它相關(guān)表征手段相結(jié)合，我們詳細(xì)地研究了Co(Cp)2插層前后SnSe2體系電子結(jié)構(gòu)的變化。首先，我們發(fā)現(xiàn)插層的Co(Cp)2具有很強(qiáng)的電子給予能力，增加了費(fèi)米能級EF附近的導(dǎo)帶態(tài)密度，體系經(jīng)歷了從半導(dǎo)體到超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變。然后，Co(Cp)2的插

6、層導(dǎo)致SnSe2的層間距有著明顯的增大，體系的能帶結(jié)構(gòu)變化很大，并且其沿層間方向的能帶色散表現(xiàn)出更強(qiáng)的二維性。
　　4.我們探測和分析了一維三元材料Ta2NiS5的電子結(jié)構(gòu)特性，發(fā)現(xiàn)其具有很強(qiáng)的面內(nèi)各向異性的能帶結(jié)構(gòu)，這與激子絕緣體材料Ta2NiSe5的能帶結(jié)構(gòu)類似。然而，其價帶頂能帶色散并沒有表現(xiàn)出平帶特征，反而具有明顯的拋物線型特征。相比于Ta2NiSe5材料，由S替代Se后的Ta2NiS5具有更大的帶隙并超過了激子結(jié)合能，由