二维金属有机Kagome框架中平带莫特态：有机量子材料的新突破

《National Science Review》：Mott state of flat bands in a two-dimensional metal?organic Kagome framework

本刊推荐：为突破莫特态观测局限于二维无机材料的现状，研究人员开展了关于金属有机框架(MOF)中平带(FB)诱导强关联效应的研究。通过在Ag(111)表面合成大规模均匀的Ag-(BPhen)3Kagome晶格，结合扫描隧道显微谱(STS)与密度泛函理论(DFT)计算，首次在有机体系中观测到~85-103 meV的莫特绝缘隙及~15 K的莫特相变温度。钾(K)掺杂实验进一步证实了电子关联效应，为探索有机体系中的非常规超导和拓扑量子现象开辟了新途径。

　　

在量子材料研究领域，二维莫特绝缘体因其强关联电子特性而备受关注。这类材料通常存在于具有高度局域化电子态的体系中，当库仑相互作用参数U超过带宽W时，便会引发金属-绝缘体相变。然而迄今为止，莫特态的实验观测主要局限于含有d/f轨道的无机材料体系，如过渡金属氧化物和扭曲双层石墨烯等。这不禁让人思考：在由s/p轨道主导的有机材料中，是否同样能够实现类似的强关联效应？

近年来，理论研究表明某些具有特定晶格对称性的二维结构（如Kagome晶格）能够产生拓扑平带。这些平带源于晶格对称性导致的量子干涉相消效应，在实空间表现为紧凑局域态，在动量空间则与色散带存在奇异接触点。金属有机框架(MOF)和共价有机框架(COF)因其可调控的电子结构，被认为是实现平带物理的理想平台。但挑战在于，大多数已报道的有机平带体系要么与其他色散带重叠，要么远离费米能级(E_F)，难以观测到平带相关的关联电子行为。

针对这一科学难题，由中国科学技术大学朱俊发教授、陕西师范大学潘明虎教授、苏州大学迟力峰教授和犹他大学刘锋教授共同领导的研究团队，在《National Science Review》上发表了突破性研究成果。他们成功在Ag(111)表面合成了大规模均匀的二维Ag-(BPhen)₃金属有机框架，该结构呈现出完美的Kagome晶格特征。通过综合运用扫描隧道显微镜/谱(STM/S)和密度泛函理论(DFT)计算，研究人员首次在有机材料中观测到平带诱导的莫特绝缘态，为探索有机量子材料中的多体物理现象打开了新大门。

研究团队主要采用以下关键技术方法：利用超高真空条件下的分子束外延技术在Ag(111)单晶表面合成MOF；通过低温扫描隧道显微镜/谱(STM/STS)在2-15 K温度范围内进行电子态表征；采用密度泛函理论(DFT)计算能带结构和局域态密度；借助钾原子掺杂调控载流子浓度；使用同步辐射X射线光电子能谱(SRXPES)分析元素化学状态。

Experimental synthesis and spectroscopy of FBs in a large-scale 2D Ag-(BPhen)₃Kagome lattice

研究人员通过沉积4,7-双(4-溴苯基)-1,10-菲啰啉(BBPPT)前驱体在Ag(111)表面成功构建了四配位N-Ag Kagome晶格。大面积STM图像显示该MOF具有高度均匀性，单元细胞尺寸为4.05±0.02 nm。点扫描STS谱在Kagome晶格的不同位置（配位Ag位点、苯环位点和空心位点）观测到一系列态密度峰，分别对应DFT预测的平带FB1(+0.005 eV)、FB3(+1.26 eV)、FB4(+1.65 eV)和FB5(+1.79 eV)。

DFT-calculated band structure and spectroscopic imaging the FBs in the Ag-(BPhen)₃Kagome lattice

DFT计算揭示了MOF的能带结构特征：在-3 eV至+2 eV能量范围内存在五个平带束（FB1-FB5），其中FB1恰好位于费米能级。微分电导映射(dI/dV mapping)进一步证实了平带的实空间分布：+5 mV映射显示Kagome晶格空穴内的Ag表面态局域化；+1.2 V映射在苯环骨架上呈现亮斑，与FB4的计算结果一致；而+1.6 V和+2.2 V映射分别对应FB2和FB5的局域态密度特征。

Spectroscopic signature of FB-induced Mott states

高分辨率STS测量揭示了莫特绝缘态的关键证据：在2 K温度下，费米能级附近出现~85-103 meV的能隙，其线形可通过上Hubbard带(UHB)和下Hubbard带(LHB)拟合，对应带宽W~9.8 meV和关联势U~85 meV。最具说服力的是，-52 meV(LHB)和+33 meV(UHB)的dI/dV映射呈现完全相反的对比度：LHB的电子态局域在Kagome晶格骨架上，而UHB的电子态被推入晶格空穴中。

Temperature dependence of gap

温度依赖的STS测量显示莫特隙随温度升高而快速衰减，并在15 K时完全闭合。通过定义隙深ΔD（隙深ΔD_G与峰高ΔH_p的比值），研究人员发现实验数据的衰减速度显著快于单纯热展宽模拟的结果，这进一步证实了能隙的电子关联起源，而非单粒子能带绝缘体行为。

Gap evolution upon potassium doping

钾掺杂实验为区分莫特绝缘体和普通能带绝缘体提供了关键证据。当K覆盖率低于0.04 ML时，MOF中出现的"BBPPT嵌入缺陷"导致局部电子掺杂。靠近缺陷点的STS谱显示莫特隙减小至~82 meV，且整个谱线向低能方向移动~40 meV，表明电子掺杂效应。特别值得注意的是，在缺陷点位置莫特隙被完全填充，而在远离掺杂点的区域仍保持莫特隙特征，这种非均匀响应正是电子关联体系的典型特征。

这项研究通过精准的分子设计和表面合成技术，首次在二维金属有机Kagome框架中实现了平带诱导的莫特绝缘态。该工作不仅将莫特物理的研究范畴拓展至有机材料体系，更展示了MOF在调控电子关联效应方面的独特优势：通过配体和连接体的灵活选择，可以精确调控平带位置和电子关联强度；金属有机配位键既提供了结构稳定性，又创造了分子间电荷转移通道。特别值得关注的是，该体系中较小的莫特隙（85-103 meV）和相对较低的相变温度（15 K），为后续通过电场、化学掺杂等外场调控手段探索量子相变提供了理想平台。

研究人员在讨论部分指出，尽管角分辨光电子能谱(ARPES)未能直接观测到平带特征（可能源于MOF与金属基底间的电荷转移导致载流子浓度过低），但STM/S与DFT计算的高度吻合为平带的存在提供了充分证据。该工作为在有机体系中探索更丰富的量子多体现象（如非常规超导、分数拓扑态等）奠定了基础，同时也启示人们通过合理的晶格设计，可以在更多元的材料平台上实现拓扑平带与电子关联的协同调控。随着对MOF电子结构调控能力的不断提升，有机量子材料有望成为研究强关联物理的新范式，推动量子信息技术和拓扑量子计算的发展。