单层1T相过渡金属二硫属化物中轨道纹理与关联绝缘态的演化机制及其调控

为解决强电子关联体系中Mott绝缘态的稳定机制及调控难题，上海交通大学彭晨团队通过角分辨光电子能谱(ARPES)结合第一性原理计算，系统研究了单层1T-NbSe2、TaSe2和TaS2的电子结构。研究发现硫族元素p轨道与下哈伯德带(LHB)的杂化可有效调控带宽，使NbSe2的Mott相变温度(Tc)提升至553K，为二维关联材料设计提供了新思路。

　　

在凝聚态物理领域，过渡金属二硫属化物(TMDs)因其丰富的电子关联现象而备受关注。当这类材料的厚度减至单层时，量子限域效应会显著增强电子相互作用，可能诱导出奇特的量子态如Mott绝缘体、量子自旋液体等。然而，传统研究多通过栅压或掺杂调控电子关联强度(U/W)，对轨道杂化这一本征调控机制的认识仍不完善。特别是单层1T相TMDs中，硫族原子p轨道与过渡金属d轨道的杂化如何影响Mott相变，一直是悬而未决的科学问题。

上海交通大学的研究人员选择单层1T-NbSe₂、TaSe₂和TaS₂作为模型体系，通过分子束外延(MBE)制备高质量样品，结合高分辨角分辨光电子能谱(ARPES)和第一性原理计算，系统揭示了轨道杂化对Mott绝缘态的调控机制。研究发现，在√13×√13超晶格中形成的星状大卫(Star-of-David)电荷密度波(CDW)结构会重构电子能带，其中中心过渡金属原子的d_3z²-r²轨道形成下哈伯德带(LHB)。通过对比三种材料，发现Se 4p带与LHB的杂化使NbSe₂的带宽最窄，U/W比值最大，导致其Mott相变温度高达553K，远高于TaS₂(353K)和TaSe₂(479K)。该成果发表于《Nature Communications》，为设计高稳定性的二维关联材料提供了新范式。

研究采用三项关键技术：1)分子束外延(MBE)在4H-SiC衬底上生长单层1T相TMDs薄膜；2)同步辐射光源和实验室He-I光源的角分辨光电子能谱(ARPES)测量，能量分辨率优于15meV；3)基于VASP软件包的第一性原理计算，引入Hubbard U参数和自旋轨道耦合，通过能带展开技术解析超晶格电子结构。

电子能带结构
ARPES测量显示单层1T-NbSe₂在Γ点附近存在-0.22eV的平带，与Se 4p带形成倒三角形杂化结构。对比三种材料发现，NbSe₂中p-d杂化强度达50%，比TaS₂高12%，导致其LHB带宽最窄(10meV)。第一性计算重现了实验观测的能带折叠和 Mott 能隙特征。

能隙温度依赖性
通过分析对称化能量分布曲线(EDCs)，发现NbSe₂在10K时呈现U型能隙，330K时转变为V型。采用BCS型平均场方程拟合得出其T_c=553±12K，且能隙随温度升高衰减最慢，证实强杂化可稳定Mott相。

轨道纹理与d-p杂化
电荷密度分布计算显示NbSe₂的LHB中p轨道成分最多。人为增大Se原子z向位移的模拟表明，杂化减弱会导致Nb-Nb键增强，带宽增大，验证了杂化强度与U/W的正相关性。

该研究首次在单层1T-TMDs中建立了d-p轨道杂化强度与Mott相变温度的定量关系，突破传统仅调控U/W的研究范式。发现NbSe₂通过强杂化实现室温以上稳定Mott态，为开发新型关联电子器件奠定基础。此外，LHB的连续谱特征和磁性原子掺杂诱导的能隙闭合现象，暗示这些材料可能存在量子自旋液体态，为探索拓扑量子计算平台提供新线索。研究揭示的轨道工程策略可拓展至其他关联材料体系，对理解铜氧化物高温超导中的类似杂化效应具有启示意义。