通过界面相互作用稳定电荷密度波相位

NUS 研究人员已经证明，H 相二硫化钽 (TaS 2 ) 双层中的电荷密度波 (CDW) 相可以通过与六方氮化硼 (h-BN) 衬底的界面相互作用在室温下稳定。

量子力学告诉我们，所有粒子都表现为波。对于质量非常小的粒子，例如电子，粒子的波动性尤其明显。在一些低维材料中，电子在晶格中形成相干的周期性波，导致原子晶格中的波状畸变，称为 CDW 相。CDW 相可以表现出新的现象，并且具有与通常相不同的电导率，这可能会导致设备应用的新进展。然而，CDW 相通常存在于非​​常低的温度下。提高 CDW 相变温度(称为 TCDW)的努力主要集中在界面应变和电荷掺杂剂的影响上。然而，此类修改对 TCDW 的影响并不显着，因为此类修改使 CDW 相稳定的程度本质上是有限的。

在这项工作中，新加坡国立大学化学系 Loh Kian Ping 教授的小组观察到，当H 相 TaS 2双层在 h-BN 衬底上外延生长时，在室温下存在 CDW 相。块状 TaS 2 中相同的 CDW 相(没有 h-BN衬底)仅在低得多的温度下存在，低于 77 K。使用量子力学计算，来自 NUS 物理系的 Quek Su Ying 教授的小组发现， TCDW 主要是由 TaS 2和 h-BN 衬底之间的界面相互作用引起的，在较小程度上，界面应变引起。

当TaS 2在 h-BN 衬底上外延生长时，扫描透射电子显微镜和拉曼测量为 TaS 2的室温 3 × 3 CDW 相提供了证据。TaS 2与 h-BN 形成莫尔超晶格。在CDW结构中，硫(S)原子的晶格排列不再彼此等距，而是可以分为两类。一组的 S 原子排列得更远 (+)，而另一组的 S 原子排列得更近 (-)。

对这个超级电池中 18 种不同堆叠配置的密度泛函理论计算表明，钽 (Ta) 和 S 原子总是以这样的方式排列，即 (+) 基团集中在下面的氮 (N) 原子上，而 (- ) 组集中在下面的硼 (B) 原子上。这一观察结果可以从在 TaS 2中的 S 原子带有轻微的负电荷这一事实来理解。它们被 h-BN 中带负电的 N 原子排斥，并被带正电的 B 原子吸引。因此，h-BN 衬底中底层 B 和 N原子引起的莫尔静电调制有利于双层(或单层)TaS 2 中的 CDW 原子结构. 实验观察证实了这种稳定 CDW 相的新机制——在 h-BN 衬底上随机取向的TaS 2没有室温CDW 相。

郭教授说：“在文献中，二维材料异质结构中的莫尔相互作用导致了许多有趣的现象。这项工作表明，此类现象的全部范围仍未完全揭开。我们可以利用这些界面莫尔相互作用来设计二维材料系统的量子相，这种程度的控制使原子级薄材料如此迷人。”

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