突破传统认知：分数层过渡金属二硫属化物 WTe2的可控实现及独特性质探究

为解决分数层过渡金属二硫属化物（TMDCs）难以制备的问题，研究人员开展了关于制备分数层 WTe2及其性质研究的主题研究。通过原位扫描隧道显微镜（STM）技术制备出 2/3 层 WTe2，发现其会自发原子重构，有独特电子性质。这拓展了对 TMDCs 的理解，意义重大。

　　在神奇的材料世界里，过渡金属二硫属化物（TMDCs）因其具有超导、拓扑等奇妙物理性质，以及在量子器件中的广泛应用前景，吸引了众多科研人员的目光。TMDCs 通常由三层原子（X-M-X，M 代表过渡金属，X 代表硫属元素）构成一层，层内 M-X 键以共价键为主，这使得传统的 TMDCs 晶体解理往往发生在层间。以往，通过去除原子硫属平面或两个原子硫属 - 金属平面来制备具有二维结构的分数层 TMDCs，一直被认为是不可能的事情。因为硫属原子空位在 TMDCs 中虽然普遍存在，但它们总是离散分布，很难在二维区域内聚集，这是由于暴露的过渡金属原子的高密度悬挂键具有很强的化学活性。所以，探索如何制备分数层 TMDCs，以及研究其独特的结构和性质，成为了材料科学领域亟待解决的重要问题。
为了攻克这一难题，北京师范大学、北京计算科学研究中心、清华大学、北京理工大学等机构的研究人员携手展开了深入研究。他们成功通过原位扫描隧道显微镜（STM）针尖操纵技术，实现了分数层 WTe₂的可控制备，并对其原子结构和电子性质进行了详细探究。这一研究成果发表在《Nature Communications》上，为该领域的发展带来了新的曙光。
研究人员在研究过程中，主要运用了以下几种关键技术方法：一是利用低压化学气相沉积（LPCVD）法在铜箔上生长单层石墨烯，并通过湿蚀刻技术将其转移到 1T 1T'-WTe₂晶体上；二是借助超高真空扫描探针显微镜（UNISOKU USM - 1500），在液氮温度（78K）和超高真空环境下进行 STM 和扫描隧道谱（STS）测量；三是运用密度泛函理论（DFT）计算，使用 Vienna ab initio simulation package（VASP）软件和投影增强波方法（PAW）等对相关体系进行计算分析 。
下面来看具体的研究结果：

• 纳米尺度制备 2/3 层 WTe₂：研究人员将高质量的 1T 1T'-WTe₂多层膜制备在硅衬底上，并覆盖单层石墨烯。利用 STM 针尖脉冲，当脉冲电压超过 4V 时，能在 1T 1T'-WTe₂表面形成纳米级的坑。通过对近百个案例的研究发现，坑的横向尺寸与出现概率呈负相关，坑的深度最终可达约 278pm，与 1T 1T'-WTe₂中一个 Te 原子平面的高度一致，这表明是通过去除顶层数百个 Te 原子形成了 2/3 层 WTe₂。同时，覆盖的石墨烯对实现 2/3 层 WTe₂起到了关键作用，其产生的范德华压力有助于稳定结构，并且该方法有望广泛应用于制备各种 2/3 层 TMDCs。
• 2/3 层 WTe₂的原子结构：STM 图像和傅里叶变换结果显示，施加针尖脉冲后，覆盖的石墨烯保持完好；释放的 Te 原子聚集形成二维矩形晶格；2/3 层 WTe₂内部发生显著的晶格重构，其原子结构具有明显的周期性，晶格常数为 a₂=7.9±0.3?，b₂=13.8±1.0?，夹角约为 90°，a₂相对于 a₁近似旋转 60°。这种重构后的超晶格可以看作是 2/3 层 WTe₂的 W 原子平面自发进行了四重周期性的原子重构。
• 2/3 层 WTe₂的电子性质：空间分辨的 STS 光谱表明，在远离坑的石墨烯覆盖的 1T'-WTe₂上，约 0.6eV 处有一个峰，靠近坑边缘时该峰消失；而在 2/3 层 WTe₂上没有共振峰，但在 0.7eV - 1.0eV 能量范围内态密度（DOS）显著增强。光谱图显示，2/3 层 WTe₂沿 a₂方向呈现周期性条纹，具有类似电荷密度波（CDW）的状态，但在测量的 STS 光谱中未观察到 CDW 能隙，可能是由于覆盖的石墨烯掩盖了该能隙。
  在研究结论和讨论部分，研究人员通过 DFT 计算发现，一些 2/3 层 TMDCs 具有与单层对应物显著不同的独特电子性质。例如，2/3 层 VS₂预计是铁磁绝缘体，而单层 1T - VS₂和 1H - VS₂是金属；2/3 层 NbSe₂预计是具有稳定晶格动力学的铁磁金属，而单层 1T - NbSe₂和 1H - NbSe₂是非铁磁性的且具有 CDW 不稳定性；2/3 层 NbTe₂预计是铁磁性和晶格不稳定性共存的金属，可能存在铁磁密度波相，而单层 1T - NbTe₂缺乏铁磁性，单层 1H - NbTe₂缺乏动力学不稳定性 。
  这项研究成果意义非凡，它突破了传统对 TMDCs 的认知，成功实现了分数层 WTe₂的制备，揭示了其独特的原子结构和电子性质，为探索分数层 TMDCs 及其异质结构开辟了新途径，有望推动量子材料领域的进一步发展，为未来新型量子器件的设计和开发提供重要的理论和实验基础。