[論文レビュー] Emergence of charge density waves and a pseudogap in single-layer TiTe2

Peng Chen, Woei Wu Pai+9 more|May 14, 2018

2D Materials and Applications被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、角度分解光電子分光法および走査トンネル顕微鏡を用いて単層TiTe₂を調査し、92±3 Kの転移温度を示す(2×2)電荷密度波秩序と、4.2 Kにおけるフェルミ準位での28 meVの擬似ギャップを明らかにした。驚くべきことに、二層または多層相では同様の転移は観察されず、低次元系における電荷密度波形成の従来の理解に挑戦する結果となった。

ABSTRACT

Two-dimensional materials constitute a promising platform for developing nanoscale devices and systems. Their physical properties can be very different from those of the corresponding three-dimensional materials because of extreme quantum confinement and dimensional reduction. Here we report a study of TiTe$_2$ from the single-layer to the bulk limit. Using angle-resolved photoemission spectroscopy and scanning tunneling microscopy and spectroscopy, we observed the emergence of a (2 x 2) charge density wave order in single-layer TiTe$_2$ with a transition temperature of 92 $\pm$ 3 K. Also observed was a pseudogap of about 28 meV at the Fermi level at 4.2 K. Surprisingly, no charge density wave transitions were observed in 2- and multi-layer TiTe$_2$, despite the quasi-two-dimensional nature of the material in the bulk. The unique charge density wave phenomenon in the single layer raises intriguing questions that challenge the prevailing thinking about the mechanisms of charge density wave formation.

研究の動機と目的

• 単層TiTe₂の電子的性質を多層相およびバルク相と比較して調査すること。
• 二次元遷移金属ジ chalcogenidesにおける電荷密度波（CDW）秩序の起源と発現を理解すること。
• 低温における単層TiTe₂における擬似ギャップの存在と性質を調査すること。
• 次元削減の観点から予想されるべきであるが、実際には単層と多層TiTe₂におけるCDW行動の不一致を解明すること。

提案手法

• 単層TiTe₂の電子バンド構造およびフェルミ表面を調べるために、角度分解光電子分光法（ARPES）が用いられた。
• 走査トンネル顕微鏡および分光法（STM/STS）を用いて、実空間における電荷密度波秩序の画像化と局所状態密度の測定が行われた。
• CDW形成の臨界転移温度を特定するために、温度依存測定が実施された。
• 単層、二層、多層TiTe₂の間で比較研究が行われ、層数がCDWおよび擬似ギャップの発現に果たす役割を分離した。
• 密度汎関数理論（DFT）およびタイトビンディングモデルを用いた理論的解析が、実験データの解釈を支援した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単層TiTe₂における電子的秩序の性質は何か。また、多層相とは異なるか。
• RQ2 単層TiTe₂における(2×2)電荷密度波転移はどの温度で発生するか。
• RQ3 単層TiTe₂のフェルミ準位に擬似ギャップが存在するか。また、温度に伴ってどのように変化するか。
• RQ4 バルクTiTe₂が準二次元的であるにもかかわらず、なぜ電荷密度波秩序が単層極限でのみ発現するのか。
• RQ5 原子層程度に薄い遷移金属ジ chalcogenidesにおける電荷密度波形成のメカニズムは何か。

主な発見

• ARPESおよびSTMによる確認により、単層TiTe₂に92±3 Kの(2×2)電荷密度波秩序が出現することが判明した。
• 4.2 Kにおける単層TiTe₂では、フェルミ準位で約28 meVの擬似ギャップが観察され、電子状態密度に部分的なギャップが存在することを示している。
• 二層または多層TiTe₂では、電荷密度波転移は観察されず、その準二次元的性質にもかかわらず同様の現象は見られない。
• 単層TiTe₂におけるCDW状態は次元性に極めて敏感であり、単層に特有の強い電子相関または格子結合効果が関与している可能性を示唆している。
• 厚い相ではCDWが観察されないことは、ネスティングや次元性に基づくCDW形成の従来モデルに反するものであり、2次元系における新規な多体効果の存在を示唆している。