具有原子級厚度的二維資料分離與堆疊，賦予了物性調控的新自由度。相比於三維晶體材料中的化學鍵，二維資料層間相對較弱的範德華相互作用在其分離與堆疊中扮演著重要的角色。二維資料的蓬勃發展也驅使著研究者們重新審視更低維度的資料體系——原子級尺度的範德華納米線。而在一維體系中，一個最重要的特徵便是不可忽視的電子關聯相互作用，它的存在導致費米液體模型失效，取而代之的是玻色化的Luttinger液體模型。在一維體系中實現原子級精准的結構調控，進而實現電子態和電子間關聯的調控，有著重要的基礎科學意義和實際應用潜力。然而與二維情况相比，在一維範德華體系中實現原子級控制無疑更具挑戰。
近期，武漢大學物理科學與技術學院張晨棟課題組在一維範德華納米線的研究上取得突破。該工作以“Precise Tuning of Band Structures and Electron Correlations by van der Waals Stacking of One-dimensional W6Te6 nanowires”為題，發表在《納米快報》（Nano Letters）上。武漢大學為第一署名組織，第一作者為武漢大學物理科學與技術學院2018級碩士生鄧京昊，武漢大學張晨棟教授與中國科學技術大學崔萍教授為共同通訊作者，論文的合作者還包括中國科學技術大學張振宇教授。
張晨棟課題組通過分子束外延生長的方法，在雙層石墨烯/碳化矽襯底上實現了W6Te6範德華納米線（單根直徑~0.8 nm）的可控製備。同時，通過原位的低溫掃描隧道顯微鏡量測，在原子級精度上確定了單根納米線的本征原子結構與兩根/多根納米線的堆疊結構[圖一（a）]。結合第一性原理計算與掃描隧道譜研究[圖一（b）]，張晨棟課題組首次在過渡金屬硫族納米線體系中揭示了單根納米線的電晶體特性，其帶隙大小約為60 meV。兩根納米線間範德華作用，會關閉這一帶隙，體系發生電晶體-金屬轉變。進一步地研究發現，金屬態的多根納米線陣列具有顯著的Luttinger液體行為，並且其中的電子關聯强度可以被納米線根數所調控。隨著納米線的根數從兩根新增至六根，其中的Luttinger因數從g = 0.086逐漸增長至g = 0.136（g = 1表示該體系為費米液體），這表明納米線中的電子關聯效應隨著根數的新增而被抑制。隨堆疊根數變化的能帶結構與電子關聯强度證明了範德華相互作用在一維體系中的重要地位，也為製備與構建電子特性可調的一維資料體系提供了重要思路。
圖一：W6Te6納米線的原子結構、堆疊與電子性質調控
以上研究收到國家重點研發項目、國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項與安徽量子資訊技術項目等基金資助。
文章連結：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c03897