進展 | 新型二維原子晶體VSe2的製備及其准二維量子相干輸運

具有本徵磁性的二維晶體材料及其磁性是新型二維原子晶體材料及其應用的重要研究方向，在下一代低功耗的信息處理與存儲及自旋器件等方面具有潛在的應用。理論計算及實驗表明，單層二硒化釩（VSe₂）具有本徵鐵磁性，居里溫度高於室溫。在強自旋-軌道耦合作用下，其導帶底和價帶頂的自旋會發生極化，為本徵谷極化材料，這使其在自旋電子學與谷電子學等領域具有很好的應用前景。然而VSe₂的物性尤其磁性嚴重依賴於層數，可控制備高質量、少層/單層的VSe₂是研究其新奇物性的關鍵。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心高鴻鈞院士帶領的研究團隊多年來一直致力於新型二維原子晶體材料的製備、物性調控及原型器件等方面的研究，並取得了一系列研究成果。近期，他們在VSe₂新型二維原子晶體材料體系研究方面，成功實現了單層VSe₂的分子束外延可控制備[Sci. Bull. 63, 419 (2018)]及其一維圖案化、功能化[Nano Lett. 19, 4897 (2019)]。然而，對其輸運特性的研究一直受限於樣品轉移及厚度控制等方面的挑戰。

最近，該研究組博士後劉洪濤和鮑麗宏副研究員等利用化學氣相沉積（CVD）方法在絕緣襯底上成功地實現了少層VSe₂單晶納米片的可控制備，並對其層數依賴的低溫電子輸運特性進行了研究。首先他們發展了一種普適的升華鹽輔助的CVD生長二維晶體材料的方法。該方法可實現高質量、多種層數VSe₂的可控制備，最薄可至2.48 nm（約4層）（圖1）。VSe₂納米片的大小及厚度可通過釩源的用量、生長溫度、載氣中氫氣的濃度等進行調控（圖1）。在升華鹽的作用下，生長溫度大幅降低，最低可至400 ℃，從而實現少層VSe₂的製備。生長過程中，升華鹽高溫氣化，被載氣帶走，從而避免了樣品的污染。高質量的樣品通過X射線衍射（XRD）、拉曼（Raman）、透射電鏡（TEM）等表征方法得到確認（圖1）。這種製備方法也適用於其它二維晶體材料如二硫化釩(VS2)、二碲化釩(VTe₂)、二硒化鎢（WSe₂）等的合成。基於高質量的、不同厚度的VSe₂樣品，他們進一步研究了其低溫輸運性質，並首次在少層VSe₂單晶納米片中觀測到弱反局域化（WAL）效應及准二維輸運特性（圖2–4）。受量子限域效應影響，厚度小於5 nm的樣品表現出准二維輸運特性，從而觀測到弱反局域化效應（圖3a與圖4），這得益於樣品的高質量和少層的厚度。利用HLN理論可以對該弱反局域化效應進行很好的擬合。在1.9 K時，擬合得到的相位相干長度、自旋-軌道耦合長度分別為~50 nm與~17 nm（圖4）。退相干機制主要由電子-電子相互作用導致。弱反局域化效應是在比較強的自旋-軌道耦合作用下的一種量子相干行為，該效應的發現表明，少層VSe₂中存在較強的自旋-軌道耦合作用。此外，他們在VSe₂樣品中還發現了由電荷密度波（CDW）引起的遷移率漲落導致的較大的不飽和線性磁阻（圖3）。然而，在所有不同厚度的樣品中，均未觀測到反常霍爾效應，初步判斷樣品並無鐵磁性。其可能原因是樣品厚度仍較大，或者CDW態與鐵磁相互競爭，CDW態為更穩定的基態。

綜上，該項工作發展了一種低溫製備層數可控的二維原子晶體材料的方法，為單層VSe₂的製備與物性研究提供了一種思路，也會促進基於釩的二維原子晶體材料（VX₂，X = S，Te）及其它二維晶體材料的生長與研究。相關工作發表在Nano Letters上（Nano Lett. 19, 4551–4559（2019））。劉洪濤博士和鮑麗宏副研究員為共同第一作者，鮑麗宏副研究員為聯繫作者。該工作獲得國家自然科學基金委(61674170, 61888102)、科技部(2016YFA0202300, 2018FYA0305800)和中科院(XDB30000000, XDB28000000, 20150005)的支持。

圖1：高質量少層VSe₂納米片的可控制備與結構表征。（a）VSe₂納米片的厚度與生長溫度的關係。插圖為SiO₂/Si襯底上VSe₂納米片的光學顯微鏡照片。（b）VSe₂納米片的AFM形貌圖及厚度。（c）4.2 nm VSe₂納米片的拉曼光譜。插圖為207 cm^–1處A_1g峰的拉曼成像圖。（d）VSe₂納米片的XRD圖譜及1T相VSe₂的標準粉末衍射峰。（e）VSe₂納米片的低倍透射電子顯微鏡（TEM）圖像。插圖為VSe₂納米片的選區電子衍射（SAED）。（f）VSe₂原子分辨的高角度環形暗場掃描透射電鏡（HAADF-STEM）圖像。

圖2: 不同厚度VSe₂納米片的電阻率與溫度的關係。不同厚度VSe₂納米片的電阻率隨溫度的變化（a），一階導數（b）及CDW轉變溫度（T_CDW）與剩餘電阻比（RRR = ρ_300K/ρ_2K）（c）。T_CDW由電阻率一階導數的極小值來確定。（a）中的插圖是9.6 nm厚的VSe₂納米片的霍爾器件的光學顯微鏡照片。標尺為5 μm。虛線為厚度為28 nm的VSe₂納米片的T_CDW。低溫下不同磁場中，厚度為（d）28，（e）9.6和（f）4.6 nm的VSe₂納米片的電阻率與溫度的關係。溫度為對數坐標。厚度為4.6 nm的樣品在低溫下出現電子-電子相互作用導致的電阻率增加（f）。

圖3：不同厚度VSe₂納米片的磁電阻對比。（a–c）厚度為28，9.6和4.6 nm的VSe₂納米片在不同溫度的磁阻：（a）1.9 K，低於T_CDW，（b）溫度在T_CDW附近，（c）在110 K，高於T_CDW。（a）中插圖為4.6 nm樣品低場部分的放大圖。低場的向下尖峰為弱反局域化（WAL）效應。（d–f）厚度為28，9.6和4.6 nm的樣品的Kohler圖。

圖4：VSe₂納米片的WAL效應。10 K以下4.6 nm VSe₂納米片的電導Δσ_xx隨磁場的變化（a）及HLN理論擬合（b）。（c）從擬合中提取的退相干散射對應的特徵磁場B_Φ、自旋-軌道耦合散射對應的特徵磁場B_SO與溫度的依賴關係。（d）相位相干長度l_Φ和自旋-軌道散射長度l_SO與溫度的關係。

文章題目：Quasi-2D Transport and Weak Antilocalization Effect in Few-layered VSe2

編輯：小林綠子