南京大學繆峰教授課題組在第二類狄拉克半金屬材料的低溫生長研究領域取得突破進展

自2004年石墨烯被發現以來，二維材料迅速成為近十多年來凝聚態物理、材料科學和信息科學等領域的研究熱點。二維過渡金屬硫屬化合物（TMDCs）由于具有原子層薄的特征以及多樣的原子結構和電子能帶結構，擁有極其多樣的物理特性。眾多研究表明金屬性TMDCs具有超導性、電荷密度波及外爾半金屬性等奇異物理性質，此外他們在改善二維半導體器件接觸性能和催化等領域也表現出獨特的應用潛力。碲化鉑（PtTe₂）是一種第二類狄拉克半金屬材料，被發現具有傾斜的狄拉克錐能帶結構。類似于第二類外爾半金屬，在特定的動量方向上傾斜的狄拉克錐結構為研究磁各向異性輸運性質提供了新的平臺。此外，PtTe₂具有超強的層間相互作用，可導致眾多層數依賴的新奇電學性質。目前對PtTe₂的制備主要通過化學氣相傳輸法（CVT）和化學氣相沉積法 (CVD)，但所制備的體單晶材料難以通過微機械剝離的方法得到原子層薄的晶體，極大限制了對其奇特物性開展研究。而且，最重要的挑戰是無論采用CVT 還是CVD合成方法，都要求很高的溫度（～1200?℃），如何發現和利用新的合成機制來降低這類TMDCs的生長溫度也成為了材料生長領域關注的熱點。

為了解決上述挑戰，南京大學物理學院、微結構科學與技術協同創新中心的繆峰教授課題組開發出了一種低溫共熔合成方法（圖a），首次在低溫固溶相合成出了大尺寸、厚度在2-200?nm之間的PtTe₂單晶（圖b, c）。從熱動力學角度，高熔點的不同厚度Pt薄膜和過量Te粉混合，在較低溫度下（500?℃）可以形成Pt-Te共熔體。然后隨著Te元素的不斷蒸發，PtTe₂析出并成核生長，最終生成PtTe₂單晶。由于此低溫共熔法整個過程經歷了固-液-固三種相，因此又稱之為SLS（固-液-固，solid-liquid-solid）法。該技術的開發也受到了上世紀六十年代開發出的、被利用來實現半導體納米線低溫合成的VLS（氣-液-固,vapor-liquid-solid）法的啟發。

繆峰教授課題組進一步利用電子束曝光工藝制備了PtTe₂單晶的霍爾器件，并得到了室溫下的TMDCs最高的電導率3.3×10⁶?S/m（圖d）。通過低溫電子輸運研究，首次在所制備的高質量PtTe₂單晶中觀察到弱反局域化現象。此外，該課題組還開發了一種氬等離子體刻蝕法，通過調控加速電壓等參數，實現了對所合成PtTe₂體單晶的逐層減薄，最終得到了原子層薄的PtTe₂單晶。電學性質測試表明，所制備的原子層薄PtTe₂單晶依然保持了超高的電導率，顯示出該方法在可控制備不同層數的高質量二維材料方面的優勢。

圖（a）PtTe₂單晶的低溫共熔法生長機理示意圖。（b）所生長的PtTe₂單晶的掃描電鏡圖和平面原子結構示意圖。（c）PtTe₂原子分辨透射電鏡圖。（d）PtTe₂單晶的變溫電學性質，展示出超高的電導率。

該工作以“Low-Temperature Eutectic Synthesis of PtTe₂?with Weak Antilocalization and Controlled Layer Thinning”為題，于近日（2018年7月23日）發表在材料領域重要期刊《Advanced?Functional Materials》上(DOI:10.1002/adfm.201803746)。該論文的第一作者是南京大學物理學院博士后郝松博士，通訊作者是南京大學繆峰教授、梁世軍副研究員。該工作還得到了東南大學孫立濤教授課題組、倪振華教授課題組，中科院半導體所譚平恒研究員課題組，以及南京大學王振林教授課題組的實驗協助和支持。該項研究得到微結構科學與技術協同創新中心的支持，以及國家杰出青年科學基金、科技部“量子調控”國家重大科學研究計劃（青年科學家專題）項目、江蘇省杰出青年基金、國家自然科學基金、中央高校基本科研業務費和中國博士后科學基金等項目的資助。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201803746

課題組主頁：nano.nju.edu.cn

本文由繆峰課題組供稿，材料牛整理編輯。

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