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单层MoSe2中一维导电网格的发现
Time:2014-11-03

近日,上海交通大学物理与天文系低维物理与界面工程实验室高春雷特别研究员、贾金锋教授与香港大学物理系谢茂海教授合作,在《物理评论快报》上发表了名为“Dense Network of One-Dimensional Midgap Metallic Modes in Monolayer MoSe2 and Their Spatial Undulations”的文章【Phys. Rev. Lett. 113, 066105 (2014)】。


由于在电子学,光电作用和催化方面有着重要应用潜力,过渡金属二硫化物,MX2(M=Mo,W;X=S,Se),被科研界长期关注和研究。在早期的工作中,研究人员已发现分子束外延生长的MoS2,MoSe2存在“车轮”状网格结构(图一),当时被简单地解释为由于MoSe2晶格和衬底晶格不匹配引起的moiré图案。上海交通大学低维界面工程实验室,香港大学物理系的研究人员利用扫描隧道显微镜,透射电子显微镜等先进的实验方法,结合第一性原理计算方法在过渡金属二硒化物的原子结构、电子性质等研究方面取得了重要进展,他们最新研究成果表明:虽然母体MoSe2是个大禁带绝缘体,但其网格边界是由局域的原子排列所引起的导电结构,并且明确地解析了原子层错位的畴之间的过渡结构,以及一维导电电子态的特性。
 

实验中,他们首先使用分子束外延的实验手段在石墨烯上生长了单层的MoSe2超级薄膜。用扫描隧道显微镜与透射电子显微镜,他们均成功地观察到MoSe2的网格结构。进一步的扫描隧道显微镜研究发现网格结构的高度和形状会随隧道结偏压发生明显的变化,表明这种网格结构主要体现的是电子态密度的分布,而不是真实的原子结构。通过第一性原理方法,结合扫描隧道显微镜的结构表征,他们得到了这类重要化合物的网格分割的区域和过渡区域的原子结构,计算得到的电子态分布与扫描隧道显微镜的能谱分析完全一致(图二)。网格包围的三角形中心区域(图一中的暗区)由绝缘的MoSe2构成,其单层薄膜禁带为2.1eV宽。而那些形如平行双线的网格线是由极度局域的一维导电金属电子态构成。在这种被限制的一维体系中,他们还观察到了电子态形成的驻波(格线上的点状结构),测量得到的电子能量色散关系和计算结果非常符合。在更高空间分辨下,由MoSe2晶格与石墨晶格形成的moiré图案也被成功地观察到。


通过合作,他们首次揭示了分子束外延的层状化物体系中常见的表面特征的形成机制。这一研究成果对正确理解该体系化学,电学上的性质有着重大的意义。这类独特的基于绝缘体背景的导电网格体系将在光电以及催化方面发挥重要作用。

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