Janus结构诱导的单层二碲化钒中反常电荷密度波与三重旋转对称性破缺研究

为解决二维过渡金属二硫属化物(TMDs)中电荷密度波(CDW)对称性调控难题，中国科学院团队通过表面硒化策略成功制备Janus结构单层VTeSe，首次观测到具有三重旋转对称性破缺的√13×√13 CDW态。结合STM表征与DFT计算，揭示该CDW态源于磁参与电荷调制而非传统电声耦合机制，为人工调控二维材料电子态提供了新范式。

　　

在量子材料研究领域，过渡金属二硫属化物(TMDs)因其丰富的电荷密度波(CDW)行为备受关注。CDW作为晶格与电子集体耦合产生的周期性调制现象，其对称性直接关联材料的超导、磁性等量子特性。然而，传统TMDs的CDW态多受限于固有晶格对称性，如何通过人工结构设计打破对称性约束成为调控电子态的关键挑战。Janus结构（非对称原子层结构）的提出为这一难题提供了新思路，但其在金属性TMDs中的实现及CDW调控机制仍属空白。

针对这一科学瓶颈，中国科学院物理研究所团队选择典型金属性TMDs材料二碲化钒(VTe₂)为研究对象。该材料在单层状态下呈现4×4 CDW态，但受三重旋转对称性限制难以实现电子态定向调控。研究人员创新性地采用表面硒化策略，通过精确控制硒(Se)原子在VTe₂顶层的取代，成功制备出具有Te-Se非对称结构的Janus型单层VTeSe（J-VTeSe）。这项突破性成果发表于《SCIENCE ADVANCES》。

研究团队运用四大核心技术：1）分子束外延(MBE)结合原位硒化制备Janus单层样品；2）同步辐射X射线光电子能谱(XPS)验证元素化学态演变；3）球差校正扫描透射电镜(STEM)实现原子级结构解析；4）低温扫描隧道显微镜/谱(STM/STS)系统研究CDW电子态。通过构建4.5K至室温的变温测试体系，捕捉到CDW态随温度的演化规律。

Fabrication of monolayer J-VTeSe
通过523K下可控硒沉积，实现VTe₂顶层Te原子的梯度取代。XPS显示V 2p结合能偏移0.4eV，证实Janus结构形成。原子分辨EELS图谱明确展示Se-V-Te三明治结构，层间距差异0.06nm与理论预测吻合。

Characterizing atomic structure
低温STM揭示两种特征区域：未取代区域保持4×4 CDW，而J-VTeSe区域呈现新型√13×√13超晶格。FFT分析显示布拉格衍射点（黑色）与超晶格衍射点（紫色）共存，后者呈现打破三重对称性的菱形排布。

Atomic structure and electronic states of CDW
STS谱显示J-VTeSe在费米面附近存在复杂轨道纹理：-100meV与+50meV处出现对比度反转，暗示CDW态与磁有序耦合。微分电导空间映射的交叉相关分析表明，价带区电子态分布显著偏离传统Peierls机制预期。

DFT calculation results
理论计算揭示磁有序的关键作用：反铁磁条纹(AFM-stripe)构型能量最低，其√13×√13超胞的STM模拟与实验高度吻合。声子谱计算发现q=(0.25,0,0)处虚频模式，但磁序引入导致晶格膨胀1-3%，破坏本征对称性。电荷重分布分析证实CDW态源于V原子d轨道电子自旋耦合与晶格畸变的协同作用。

这项研究首次在实验上实现Janus结构对金属性TMDs中CDW对称性的主动调控，突破传统电声耦合机制的认知框架。发现的磁参与电荷调制新机制，为设计具有定向电子输运特性的二维量子材料开辟新途径。通过原子级精准的硒化工艺，该工作还发展出普适性的TMDs Janus结构制备方法，为后续二维材料能带工程研究提供关键技术支撑。温度依赖的CDW态转变现象，进一步揭示了电子关联体系多自由度耦合的丰富物理图像。