低溫共熔法實現高質量狄拉克半金屬材料的生長

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)由於具有原子層薄的特徵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。類似於第二類外爾半金屬,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的製備主要通過化學氣相傳輸法(CVT)和化學氣相沉積法 (CVD),但所製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採用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。

目前,南京大學繆峰教授課題組開發出了一種低溫共熔合成方法,首次在低溫固溶相合成出了大尺寸、厚度在2-200 nm之間的高質量PtTe2單晶。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。然後隨著Te元素的不斷蒸發,PtTe2析出併成核生長,最終生成PtTe2單晶。由於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(nano.nju.edu.cn)進一步利用電子束曝光工藝製備了PtTe2單晶的霍爾器件,並得到了室溫下的TMDCs最高的電導率3.3×106 S/m。通過低溫電子輸運研究,首次在所製備的高質量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,所製備的原子層薄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。

低溫共熔法實現高質量狄拉克半金屬材料的生長


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