二維資料角分辨光電子能譜

在過去的二十年中,ARPES發展日益成熟,分辯率不斷提高,並不斷擴展到空間、時間和自旋量測領域,ARPES為所有量子資料的研究提供了重要的工具。圖1.角分辨光電子能譜示意圖及其研究的量子資料範圍。利用深紫外光和物質之間的大相互作用截面,ARPES已成為准一維和准二維資料研究中的一項强大科技。

角分辨光電子能譜(Angle-Resolved PhotoEmission Spectroscopy,ARPES)是一種近年來發展起來的能够直接探測動量空間中的電子結構的光譜方法,其在發現、表徵和理解從物質的强關聯態到具有非平凡拓撲結構的量子資料方面具有不可替代的作用。在過去的二十年中,ARPES發展日益成熟,分辯率不斷提高,並不斷擴展到空間、時間和自旋量測領域,ARPES為所有量子資料的研究提供了重要的工具。

鑒於此,來自美國斯坦福大學和耶魯大學的研究人員在物理學著名期刊Reviews of Modern Physics上以Angle-resolved photoemission studies of quantum materials為題發表綜述文章,系統綜述了ARPES在石墨系統、過渡金屬二鹵化物、複雜氧化物及其介面中的二維電子氣,以及准一維系統中的自旋-電荷分離中所起的獨特作用,並展望了ARPES在二維資料量測領域未來的發展前景。

圖1.角分辨光電子能譜示意圖及其研究的量子資料範圍。

圖源:Rev.Mod.Phys.93,025006.

在過去二十年中,學術界對低維系統的研究興趣不斷增加,其中很重要的一個原因是石墨烯的發現及其在室溫下的半整數量子霍爾效應。由於空間限制和對稱性降低,低維系統實現了三維資料中罕見類型和强度的相互作用,從而產生了從介面電子氣體到高溫量子自旋霍爾效應豐富的新材料特性。同時,受益於成熟的實驗和加工技術,低維系統的器件製造和量測日臻成熟。此外,低維系統無與倫比的化學和物理可調性也開啟了面向合成的量子資料研究的新時代。

由於與大塊單晶相比,低維資料體積大幅减少,傳統的熱力學(熱容、熱傳輸)和X射線及中子散射探針在低維資料研究中面臨挑戰。同時,電輸運、光學光譜和各種顯微鏡仍然是研究通常為14微米大小、幾層厚樣品和器件的主要工具。利用深紫外光和物質之間的大相互作用截面,ARPES已成為准一維和准二維資料研究中的一項强大科技。反過來,對典型低維器件長度尺度的探測需求也刺激了ARPES光源的快速發展出10μm-∼100nm大小的束斑。

石墨烯等單元素二維資料

石墨烯是通過共價鍵排列在蜂窩狀晶格中的單層碳原子。這種晶格結構導致了一種特殊的低能電子結構,主要由碳pz電子組成,兩組雙簡並狄拉克錐(穀)交替位於布裡淵區的六個角上。這種低能電子結構也體現了基本拓撲概念,如非零貝裡相位。與典型電晶體中的量子阱態不同,石墨烯中的低能載流子表現出電子-空穴簡並,有效質量向電荷中性方向消失,自旋-軌道耦合可忽略,並大致遵循狄拉克運動方程。囙此,除了其許多有趣的物理性質外,石墨烯還是一個固態平臺,可以在熱能尺度上研究相對論概念和現象。光電效應在决定其電子結構、維度交叉行為和各種電子相互作用效應方面起著至關重要的作用。

基於同步加速器的ARPES首次使用前一種方法確認單層和雙層石墨烯中存在狄拉克錐形帶。在塊狀石墨中也觀察到類似的狄拉克電子。特別是,添加一層或多層會導致狄拉克錐的能量分裂,使能量-動量色散從線性變為雙曲線,並產生大量狄拉克費米子。通過鉀吸附的表面電荷摻雜被證明會持續改變Dirac點附近的能帶結構,這被解釋為頂部和底部石墨烯層之間對稱性破壞的結果。

圖2.石墨烯的能帶結構(a)單層石墨烯及其在布裡淵區拐角處計算的狄拉克錐能帶結構(b)量測單層石墨烯狄拉克點能量處的等能輪廓(c)狄拉克點附近的能帶結構與(d)單層到四層石墨烯的費米表面圖。

圖源:Rev.Mod.Phys.93,025006.

與早期認為石墨烯是純非相互作用系統的印象相反,在摻雜石墨烯中觀察到一系列强烈的帶畸變。ARPES與熱、光、電輸運量測一起,為准粒子動力學的層次結構提供了動量分辨單粒子證據。在EF低於200 meV,電子-聲子耦合會破壞線性色散。當EF在0.5-1.0 eV之間,电浆形成的特徵通過狄拉克錐的加倍表現出來。還通過層間耦合到不同襯底揭示了電子相關效應。在這裡,狄拉克錐的重整化可以不同於人們期望的模式耦合誘導的帶重整化,甚至可以是間隙重整化。還通過光激發佈居動力學在trARPES中研究了石墨烯中的相互作用,可以對其進行建模,以評估俄歇散射和碰撞電離的相對貢獻。

基於石墨烯的異質結構,特別是由薄膜過渡金屬二鹵化物形成的異質結構和具有層間扭曲角的異質結構,隨著人們對二維平臺上的超晶格工程越來越感興趣,也得到了更多的研究。例如,h-BN、釕或銥與石墨烯之間的超晶格勢顯示在狄拉克帶上同時產生低能和高能帶隙。以小角度相對扭轉兩個石墨烯層已證明可通過層間帶雜化有效調節頻寬。當角度正好為30°時,旋轉對稱性保持不變,而平移對稱性被移除,類似於准晶。异常强的層間電位顯示將布裡淵區角Dirac電子向區中心散射,形成具有十二角旋轉對稱性的複製品。

圖3.石墨烯系統中的相互作用效應(a)摻雜石墨烯中的低能色散异常(b)引起石墨烯帶重正化的襯底效應(c)襯底誘導石墨烯6H-SiC異質結構Dirac點上的間隙開放(d)30°扭曲雙層石墨烯中平移對稱性的消除和十二角狄拉克電子的形成。

圖源:Rev.Mod.Phys.93,025006.

除石墨烯外,迄今為止人們還合成了硼酚(單層硼)、所有IV族和V族(氮除外)單元素二維資料系統,涵蓋了從理論上預測的量子自旋霍爾絕緣體到可調諧帶隙電晶體等多種物理現象。由於樣品穩定性和可用性的限制,現時這些系統中的光電發射研究主要集中在eV尺度能帶結構識別上。

過渡金屬硫族化合物

石墨烯的許多吸引人的特性來自它的低能狄拉克電子和弱自旋-軌道耦合,這使它成為一種接近零間隙的電晶體。然而,用於邏輯電路的電晶體利用“On/Off”開關行為,需要非零能隙。過渡金屬硫族化合物(TMDC)是一類類似層狀範德華資料,包含具有可調eV量級帶隙的電晶體。ARPES與原位分子束外延或微聚焦束斑結合時,可以為過渡金屬硫族化合物工程提供關鍵電子證據和微觀指導。

在發現單層2H-MoX2(X=S,Se)的發光量子效率比其本體形式高出104倍之後,ARPES觀察到從多層膜到單層膜的間接到直接帶隙轉變。特別是,這一現象被證明是由K點價帶頂部的快速上升引起的。同時,單層(或奇數層)2H相缺乏反轉對稱性意味著能帶的自旋分裂。事實上,研究人員在單層(Mo/W)(S/Se)2中觀察到價帶的140–500 meV自旋軌道分裂,通過光致發光和trARPES觀察到的圓偏振光,為穀選擇性光激發機制提供直接的電子證據。研究人員還利用自旋分辨ARPES發現了MoSe2和WSe2中分裂價帶上自旋極化的證據,這與光偏振和幾何結構密切相關。

圖4.層相關2H-MoX2(X=S,Se)的晶格和電子結構。

圖源:Rev.Mod.Phys.93,025006.

薄膜過渡金屬硫族化合物及其相關的異質結構也與光發生强烈的相互作用,其中含有高達10%的激子室溫下的∼30ns輻射壽命。由於金屬襯底上的遮罩,激子結合能顯著降低。微斑點ARPES還可用於確定MoSe2/WSe2異質結構中的層間帶排列和激子結合能。時間分辨ARPES最近量測了電子束中激子的波函數WSe2,並揭示了其產生和弛豫過程的光譜特徵。

ARPES在Ti、Zr、V、Nb和Ta基過渡金屬硫族化合物及其薄膜的超導電性和電荷序現象的研究中也起著重要作用。除了2H-NbS2外,這裡的超導電性總是以電荷密度波有序態出現。

在這些系統中,電子-聲子耦合通常强烈影響ARPES光譜,層數的减少可以改變系統對稱性,通常導致較低的超導轉變溫度和較高的電荷密度波級溫度。充其量,簡單的費米表面嵌套場景可以解釋一些反常電荷密度波相位的實驗現象。單層極限下的相關有序化溫度和能隙遠大於整體極限。迄今為止研究人員還使用trARPES研究了塊體晶體中的能帶折疊,其中能帶折疊消失的時間尺度被視為激子電荷密度波機制的證據。這似乎是由動量分辨電子能量損失譜探測的電荷有序波向量處同時軟化的聲子和电浆子模式支持的。

過渡金屬氧化物中的二維電子氣

複雜過渡金屬氧化物的行為與其他硫屬化合物大不相同,這主要是因為氧原子具有异常强的電子負性。囙此,它們具有高度的離子鍵,更强的電荷轉移,更容易形成懸空鍵和氧空位。每一種特性都獨特地促成了出現在其表面的二維電子氣(2DEG)的特殊性質,以及許多表面和介面上的介面耦合。

圖5.SrTiO3中的表面二維電子氣。

圖源:Rev.Mod.Phys.93,025006.

在兩個絕緣鈣鈦礦LaAlO3和SrTiO3之間的介面處發現了高遷移率2D電子氣之後,隨後在SrTiO3上發現並通過ARPES證明了類似的二維表面導電狀態,在KTaO3極性表面上。最初的光電發射證據來自SrTiO3表面,通過大塊晶體切割或漸進式紫外線照射。當將表面原子氧處理與氧空位狀態的光電發射相結合時,研究人員發現表面2DEG來自UV誘導的氧空位,並且主要具有Ti-3dxy特徵。並且由於其表面能帶彎曲,表面態也表現出量子限制效應。

為了克服表面敏感性和無法接近埋置介面的問題,Ti L3和L2邊緣的軟X射線ARPE用於穿透18Å厚LaAlO3覆蓋層並探測LaAlO3/SrTiO3異質結構上的介面2DEG。在能量分辯率為40meV的情况下,表面態及其極化子振盪都可以被識別。當軟X射線光子能量被調諧以匹配異質結構的深度剖面以形成駐波時,可在光子場的波腹處實現層選擇性。

展望

低維資料在過去十年中產生了諸多極具價值的量子資料研究平臺。現時,研究人員對石墨烯研究已經迅速擴展到如過渡金屬硫族化合物和氧化膜及介面登新材料系統。隨著摩爾系統和獨立氧化物薄膜的發展,這些新興資料將會繼續推動ARPES樣品環境和光源的新多樣化。由於低維系統具有優异的光學、機械、電學和磁學可調性,低維資料將有助於揭示傳統資料無法解决的如量子限制、奇异的物質拓撲狀態等重大物理問題。

參考文獻:

Jonathan A. Sobota,Yu He,and Zhi-Xun Shen,Angle-resolved photoemission studies of quantum materials.Rev.Mod.Phys.93,025006.

本文標題: 二維資料角分辨光電子能譜
永久網址: https://www.laoziliao.net/doc/1656034624284182
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