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二维材料1T -TiTe2的角分辨光电子能谱实验研究取得新进展

(文/唐筱芳)

我室徐文研究员课题组与中南大学孟建桥教授课题组合作,采用高分辨角分辨光电子能谱仪(ARPES)研究了二维材料1T -TiTe2三维电子能带结构,在实验中发现了由电子-声子耦合引起的Ti 3d能带中的Kink结构。相关成果以“Three-dimensional Fermi surface and electron-phonon coupling in semimetallic 1T -TiTe2 studied by angle-resolved photoemission spectroscopy”为题发表在Physical Review B (Phys. Rev. B 99, 125112 (2019))上。

层状过渡金属二硫化合物(TMDCs)近年来受到越来越多的关注,虽然这类材料在结构和化学组成上是类似的,但它们的电子结构涵盖了所有属性,从绝缘体、半导体到半金属、金属再到超导体。1T -TiTe2更是具有压致超导相变、单层电荷密度波(CDW)相变等有趣物理特性,被认为是费米液体的模型材料。研究1T -TiTe2材料的基本电子结构和性能对于理解量子物理学现象、CDW相变机制、探索先进电子和光电子器件的潜在应用等方面具有重要意义。该工作组使用高能量和动量分辨率的同步辐射光源进行ARPES实验,研究了1T -TiTe2能带结构沿kz方向的色散强度、kx-ky面内费米面的形状以及布里渊区特定方向上的能带色散特征,发现其费米面明显的三维特征及能带中存在的由电子-声子耦合引起的Kink 结构。

在这项工作中,首先他们发现Ti 3d和Te 5p态的能带结构显示出很强的三维特征。该结果表明,尽管1T -TiTe2的晶体结构主要为2D状,其能带结构却具有明显的3D特征。其次,他们发现TiTe2中费米能级同时穿过电子和空穴型能带,即电子口袋和空穴口袋共存于费米面中,表明1T -TiTe2呈现一种典型的半金属结构。同时,在Ti 3d能带中,他们观察到了费米能级以下18meV处明显的Kink结构,分析发现这是由材料中的电子-声子耦合引起。该工作中的相关实验结果对于深入了解1T -TiTe2的基本电子结构具有重要意义。

这项工作得到了国家自然基金以及中南大学创新驱动计划和合肥科学院研究院科技中心的资助。

相关文章的链接https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.99.125112

图1. 1T -TiTe2的三维费米面。使用16~30 eV光子能量探测的布里渊区 ΓAML平面内的费米面。灰线表示不同光子能量探测的动量位置。左下插图是标有高对称点的三维布里渊区。其中Γ、M、K和M'点在kz = 0平面上,A、L、H和L'点在kz = π/c平面上。

图2. 不同光子能量探测的kx-ky平面上的二维费米面。(a)和(b)分别对应光子能量为21 eV和29 eV。(c)和(d)分别是(a)和(b)中Γ(A)点附近使用最小梯度法清晰化后的费米面。

图3. 1T -TiTe2中Ti 3d能带色散图。(a)光子能量为20 eV时,沿Γ(A)-M(L)方向的能带结构图。(b)为对(a)进行二次微分处理后的能带结构,其中红色箭头标记Kink位置。(c)为(a)图除以费米分布函数后的能带结构。(d)对应于(c)的能量分布曲线(EDC)。红色虚线表示Kink的位置。



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