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 近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場科學(xué)中心研究員楊曉萍與陸輕鈾合作，對二維過渡金屬硫化物材料MoTe2溫度依賴的表面STM圖像、電子結(jié)構(gòu)、晶格動(dòng)力學(xué)和拓?fù)湫再|(zhì)進(jìn)行了研究。研究結(jié)果以Uniaxial negative thermal expansion and band renormalization in monolayer Td-MoTe2 at low temperature 為題，發(fā)表在美國物理學(xué)會(huì)雜志《物理評論B》上。

　　MoTe2是二維過渡金屬硫族化合物MX2家族的典型代表，在不同溫度下可以實(shí)現(xiàn)2H，1T'和Td相的生長，同時(shí)它還具有超導(dǎo)性和非平庸拓?fù)湫再|(zhì)。近來對Td相MoTe2低溫磁阻“開關(guān)”現(xiàn)象的研究發(fā)現(xiàn)了各向異性負(fù)熱膨脹效應(yīng)，同時(shí)表面STM圖像在70K和7K時(shí)有非常顯著的差異（圖1）。這表明MoTe2在低溫下可能經(jīng)歷了溫度誘導(dǎo)的電子相變，同時(shí)也有相關(guān)文獻(xiàn)基于載流子濃度的異常變化得到了類似的結(jié)論。

　　溫度引起的結(jié)構(gòu)變化及其對物理性能的影響對基于器件應(yīng)用的材料制備是至關(guān)重要的。為了解70K以下各向異性負(fù)熱膨脹和異常表面STM圖像的微觀起源，楊曉萍從理論計(jì)算角度研究了MoTe2溫度依賴的電子結(jié)構(gòu)、晶格動(dòng)力學(xué)和拓?fù)湫再|(zhì)。值得注意的是，研究發(fā)現(xiàn)MX6八面體畸變導(dǎo)致的不等價(jià)的Te原子對聲子譜和電子結(jié)構(gòu)有定性不同的貢獻(xiàn)。面內(nèi)縱向聲學(xué)模和Te(2)原子分別對單軸負(fù)熱膨脹和溫度依賴的電子相變的產(chǎn)生起重要作用。有趣的是，在標(biāo)度相對論近似下，體系一旦冷卻至70K以下，費(fèi)米能級(jí)處的能帶發(fā)生重整化，伴隨著出現(xiàn)一個(gè)II型向I型的狄拉克相轉(zhuǎn)變。自旋軌道耦合的引入引起溫度依賴的平庸半金屬向半導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變。研究結(jié)果很好地解釋了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：低于70K的表面STM反常圖像并非源于Te原子的移動(dòng)，而是由于強(qiáng)的電子-晶格耦合，使費(fèi)米能級(jí)附近的能帶發(fā)生重整化（參見圖2）。

　　該工作為二維過渡金屬硫化物材料MX2的低溫研究、實(shí)驗(yàn)制備和器件開發(fā)提供了直接的理論支持，其揭示的MoTe2低溫下反常物性的內(nèi)在物理機(jī)制對其它具有內(nèi)在MX6八面體結(jié)構(gòu)畸變的二維材料同樣具有參考價(jià)值。

　　該研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中科院合肥科學(xué)中心、中科院科研儀器設(shè)備研制項(xiàng)目等的支持。

　　圖1. Td相MoTe2在T = 7 K（a）和70 K（b）時(shí)的原子分辨率表面STM圖像。藍(lán)色矩形表示二維原胞【Phys. Rev. B 96, 075132 (2017)】。

　　圖2. 溫度為7K（a）和70K（b）時(shí)包含自旋軌道耦合的GGA能帶結(jié)構(gòu)。圓圈的尺寸代表不同軌道對能量態(tài)的貢獻(xiàn)。（c）和（d）分別是7K時(shí)低于價(jià)帶頂0.1eV的占據(jù)態(tài)，和70K時(shí)費(fèi)米能級(jí)以下0.1eV占據(jù)態(tài)的分波電荷密度。藍(lán)色矩形代表二維原胞。