中科院物理所吴克辉研究员团队Nano Lett. | 二维Ruby晶格材料的实现

英文原题：Realization of Material with an Atomic Ruby Lattice

通讯作者：吴克辉（中国科学院物理研究所）；陆赟豪（浙江大学）；何小月（松山湖材料实验室）

作者：Zijia Liu, Shengdan Tao, Huiru Liu, Chen Ma, Panyin Li, Zhihao Cai, Dacheng Tian, Yu He, Baojie Feng, Lan Chen, Xiaoyue He*, Yunhao Lu*, Kehui Wu*

研究和解析材料的晶体结构和能带结构、发现新物态、拓展材料应用一直是凝聚态物理研究的重要内容。近几十年来，二维线图晶格如Kagome晶格、Lieb晶格、Checkerboard晶格、Ruby晶格等由于结构上具有类石墨烯蜂窝晶格特性，且晶格模型中阻锉几何的存在会导致布洛赫波的干涉相消级动量空间中的拓扑平带，带来多种强关联物理效应，包括分数量子霍尔效应、非常规超导和维格纳晶格化等，激发了人们对实现具体材料的强烈兴趣。迄今为止，Kagome晶格、Lieb晶格、Checkerboard晶格等都已有一些实验上实现的报道，但二维Ruby晶格能否在实验上实现还不明确。

Ruby晶格表现为类六角蜂窝晶格，其结构相当于将六角晶格的顶点用三角晶格替换，六角晶格的棱则用平方格子替换。其能带结构表现为两个特征：在K 点处的两个狄拉克锥和在动量空间中沿着M-Г线的两个平带。这些平带来自晶格中布洛赫波函数的几何阻锉，在未来的自旋电子学和量子器件中具有潜在的应用。

图1. Ruby晶格模型及其特征能带结构。

最近，中国科学院物理研究所的吴克辉研究员（点击查看介绍）和陈岚研究员（点击查看介绍）团队利用分子束外延技术成功在Au(111)表面制备出了表现为Ruby晶格的单层的CuCl_1+x纳米结构。得益于该课题组在分子束外延制备二维材料方面的多年经验积累，本研究中，他们采用了Cu和Cl单质依次沉积后退火的方法，结合配比控制，成功在Au(111)表面制备出了单层且单畴大小为几十nm的CuCl_1+x纳米结构。扫描隧道显微镜（STM）的高分辨结构表征表明，该CuCl_1+x纳米结构的原子排列具有类石墨烯的六重对称性；而X射线光电子能谱（XPS）的测量结果表面Cu和Cl原子的化学环境与CuCl单层相似。但是，考虑到该CuCl_1+x纳米结构表现出的4×4超结构特性又不同于CuCl单层的1×1结构，故而推测CuCl_1+x纳米结构的化学计量比有可能是偏离1:1的。

图2. Au(111) 表面形成的单层CuCl_1+x纳米结构，表现为Ruby晶格。

进一步通过扫描隧道谱（STS）测量，作者发现该CuCl_1+x纳米结构位于未占据态3.6 eV处有一个明显的特征峰，且该特征峰位的STS mapping结果显示出了一种类似于ruby晶格的结构特性。此外，这些CuCl_1+x纳米结构的畴界处还观察到了位于3.7 eV的边界态。

图3. Cu₆Cl₈的电子结构。

利用第一性原理计算（DFT），他们证明了该CuCl_1+x 单层纳米结构是一个理想的二维Ruby晶格体系。研究表明，CuCl_1+x在Au(111)表面形成了一种Cu₆Cl₈的配位结构，其中Cu原子的排列方式完全符合Ruby晶格结构。STS谱和DFT计算揭示了Cu₆Cl₈ Ruby晶格位于未占据态3.6eV处的Ruby晶格平带特征峰，以及位于3.7eV处的边界态特征。

图4. Ruby晶格的边缘态。

综上，本项工作首次在一个实际材料体系中实现了二维Ruby原子晶格的构建，观察到了Ruby晶格相关的能带特征峰和边缘电子态。为进一步研究Ruby晶格中有趣的电子结构和丰富的物理现象提供了良好的平台。

相关研究结果发表在Nano Letters。中科院物理研究所和松山湖材料实验室联合培养的博士生刘子嘉同学、浙江大学博士生陶圣旦同学为该论文共同第一作者。吴克辉研究员、陆赟豪教授和何小月研究员级工程师为该论文共同通讯作者。

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Realization of Material with an Atomic Ruby Lattice

Zijia Liu, Shengdan Tao, Huiru Liu, Chen Ma, Panyin Li, Zhihao Cai, Dacheng Tian, Yu He, Baojie Feng, Lan Chen, Xiaoyue He*, Yunhao Lu*, Kehui Wu*

Nano Lett. 2024, XXXX, XXX, XXX-XXX

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03236 

Published August 23, 2024

© 2024 American Chemical Society

导师介绍

吴克辉

https://www.x-mol.com/university/faculty/174619 

陈岚

https://www.x-mol.com/university/faculty/174613 

研究团队主页链接：

http://surface.iphy.ac.cn/sf09/#/home-page 

（本稿件来自ACS Publications）