上科大物質學院聯合團隊在新型窄帶隙半導體表面實驗發(fā)現可調諧量子阱電子態(tài)

近日，上�？萍即髮W物質學院陳宇林/柳仲楷課題組與郭艷峰課題組在新型窄帶隙半導體Nb₂SiTe₄研究中取得重要進展。通過角分辨光電子能譜及隧道掃描顯微譜等研究方法，首次在此材料體系中發(fā)現局域于材料表面的量子阱電子態(tài)(Quantum Well State)，并通過表面鉀原子摻雜，實現了量子阱態(tài)的可控調節(jié)。該成果以“Direct Visualization and Manipulation of Tunable Quantum Well State in Semiconducting Nb₂SiTe₄”為題在學術期刊ACS Nano上在線發(fā)表。

量子阱態(tài)是量子力學在凝聚態(tài)材料中體現出的重要性質。晶體勢場在材料界面/表面發(fā)生變化時會形成勢阱，當其寬度與電子德布羅意波長匹配時，電子會在勢阱內形成能級分立的駐波，即量子阱。量子阱電子態(tài)在不同的材料體系中呈現出高遷移率、超導及鐵磁性、量子自旋霍爾效應等諸多優(yōu)良特性。電子功能器件中，量子阱態(tài)在金屬-氧化物半導體場效應晶體管、紅外探測器及二極管激光器中起著關鍵性的作用。

Nb₂SiTe₄表面量子阱電子態(tài)示意圖。(a)半導體樣品/真空表面(i)及摻K后樣品/真空表面(ii)。(b)K摻雜前后Nb₂SiTe₄量子阱態(tài)在樣品表面附近分布的示意圖�？v軸為能量，橫軸為寬度（x）與距離表面深度（z）。（c）K摻雜前后Nb₂SiTe₄量子阱態(tài)在動量空間的示意圖�？v軸為能量，橫軸為水平方向動量。

此項工作中，陳宇林/柳仲楷課題組創(chuàng)新性地使用了角分辨光電子能譜及隧道掃描顯微譜技術，在一類新型窄帶隙半導體材料Nb₂SiTe₄表面實驗發(fā)現了量子阱態(tài)，并實現了能帶帶隙、有效質量、分立子能帶間隙等完整能帶參數的定量測量。此量子阱態(tài)位于樣品/真空表面，在動量方向上體現為平帶特征，具有較大態(tài)密度，因此為光吸收/發(fā)射等應用提供良好物理基礎。進一步，通過向表面蒸發(fā)鉀原子方式引入自由電荷改變勢阱深度，可實現對量子阱態(tài)的能量位置及分立能級間距的有效連續(xù)調節(jié)。這一可調控量子阱態(tài)的實現為可選擇能量的光吸收/發(fā)射等應用奠定物理基礎。課題組通過與南京大學張海軍課題組合作，通過第一性原理計算驗證了此量子阱態(tài)的物理起源和調制機理。

Nb₂SiTe₄量子阱電子態(tài)的實驗測量與調控。左圖，通過角分辨光電子能譜測量得到Nb₂SiTe₄表面量子阱態(tài)。箭頭所示為不同分立能級。中圖，表面鉀原子摻雜后實現調制的Nb₂SiTe₄量子阱電子態(tài)。箭頭所示為對應左圖的不同分立能級。右圖，實驗測量分立能級隨鉀原子摻雜量演化（黑色）與理論計算(藍色)對比。

量子阱態(tài)的實驗發(fā)現和成功調控是物質學院團隊在Nb₂Si_X-1Te₄材料體系研究中取得的又一新進展。郭艷峰課題組在世界上首先合成此材料并展開深入研究，在之前的工作中，物質學院科研團隊于2019年發(fā)現Nb₂SiTe₄體系具有很好的中紅外響應，于2021年發(fā)現Nb₂Si_X-1Te₄體系中具有一維金屬鏈與二維半導體的共存。包括此次量子阱態(tài)實驗發(fā)現在內，這些重要的新發(fā)現將對該材料體系的進一步深入研究和在光電器件方面利用打下優(yōu)良基礎。

該項研究由上�？萍即髮W與南京大學協(xié)作完成。上科大物質學院2019級博士研究生張敬、南京大學研究生楊志龍為共同第一作者，上科大特聘教授陳宇林、助理教授柳仲楷、助理教授郭艷峰和南京大學張海軍教授為共同通訊作者，上�？萍即髮W為第一完成單位。該研究得到了科技部重點研發(fā)計劃、中科院先導計劃、國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金等經費支持。該項目得到了上海同步輻射光源BL03U、合肥國家同步輻射實驗室BL13U線站及上海科技大學分析測試中心的幫助。

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https://pubs.網址未加載/doi/abs/10.1021/acsnano.1c03666

圖 文 柳仲楷

排 版 韓嘉勛

編 輯 陳 蕾

高 瑄

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