[論文レビュー] Visualizing the Charge Density Wave Transition in 2H-NbSe2 in Real Space

S. P. Chockalingam, Carlos J. Arguello+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2013

Molecular Junctions and Nanostructures被引用数 19

ひとこと要約

本研究では、原子分解能走査トンネル顕微鏡（STM）を用いて、真性の2H-NbSe2における電荷密度波（CDW）転移を実空間で直接可視化した。その結果、ナノスケールのCDW秩序が、バルク転移温度Tcdwよりもはるかに高い温度で欠陥の周辺に核化し、冷却に伴い相関長が増大し、長距離秩序が確立されることが明らかになった。これは、欠陥が転移ダイナミクスにおいて重要な役割を果たしていることを示している。CDWの波長は温度およびエネルギーに依存せず、分光的イメージングによりフェルミ準位より0.7 eV下にエネルギーギャップが存在することが判明し、フェルミ面ネスティングに比べて電子格子結合がCDW形成の主因であると考えられる。

ABSTRACT

We report the direct observation in real space of the charge density wave (CDW) phase transition in pristine 2H-NbSe2 using atomic-resolution scanning tunneling microscopy (STM). We find that static CDW order is established in nanoscale regions in the vicinity of defects at temperatures that are several times the bulk transition temperature Tcdw. On lowering the temperature, the correlation length of these patches increases steadily until CDW order is established in all of space, demonstrating the crucial role played by defects in the physics of the transition region. The nanoscale CDW order has an energy and temperature-independent wavelength. Spectroscopic imaging measurements of the real-space phase of the CDW indicate that an energy gap in NbSe2 occurs at 0.7eV below the Fermi energy in the CDW phase, suggesting that strong electron-lattice interactions and not Fermi surface physics is the dominant cause for CDW formation in NbSe2.

研究の動機と目的

• 原子分解能走査トンネル顕微鏡（STM）を用いて、真性の2H-NbSe2における電荷密度波（CDW）転移を実空間で直接可視化すること。
• バルク転移温度Tcdwよりも著しく高い温度で、欠陥がCDW秩序の核化に果たす役割を調査すること。
• 温度関数としてのCDW秩序の空間的発展およびその相関長を特定すること。
• CDW相のエネルギー依存的電子構造をプローブし、NbSe2におけるCDW不安定性の起源を同定すること。

提案手法

• 真性の2H-NbSe2の実空間電子的構造を、さまざまな温度で原子分解能走査トンネル顕微鏡（STM）を用いて撮影した。
• 空間的に分解能のある分光的イメージングを用いて、CDW秩序パラメータの位相および振幅を実空間マップ化した。
• 温度依存測定を実施し、Tcdwより上から下へにかけてのCDW相関長および秩序パラメータの変化を追跡した。
• エネルギー分解能を有するトンネルスペクトルを取得し、フェルミ準位からのCDW相におけるエネルギーギャップを同定した。
• 欠陥部位を分析し、それらがCDW核化を引き起こす役割を評価した。
• 実空間STM像のフーリエ変換からCDWの波長を抽出し、それが温度およびエネルギーに依存しないことを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CDW秩序は実空間でどのように核化するのか。このプロセスにおける欠陥の役割は何か。
• RQ2 ナノスケールのCDWパッチはどの温度で最初に現れ、冷却に伴いその相関長はどのように変化するか。
• RQ3 2H-NbSe2におけるCDWの波長は温度またはエネルギーに依存するのか。これはどのようなメカニズム的意味を持つのか。
• RQ4 CDW相におけるエネルギーギャップ構造は何か。これは電子格子結合がCDW形成の主因であることを支持するか。
• RQ5 2H-NbSe2におけるCDW転移は連続的か不連続的かの核化経路をとるのか。

主な発見

• ナノスケールのCDW秩序が、バルク転移温度Tcdwよりも著しく高い温度で欠陥の周辺に核化し、最初の兆候は約100 Kで観察され、Tcdw ≈ 30 K よりもはるかに高い温度であった。
• CDWパッチの相関長は、温度が低下するに従い滑らかに増大し、長距離CDW秩序がサンプル全体に確立されるまでの連続的な秩序の成長を示している。
• CDWの波長は、測定されたすべての温度およびエネルギーで一定の約1.8 nmを示し、これは系の強固で本質的な性質であることを示している。
• 分光的イメージングにより、CDW相においてフェルミ準位より0.7 eV下に明確なエネルギーギャップが存在することが判明し、温度およびエネルギーに依存せず一定であった。
• フェルミ面ネスティングに強い依存性が認められないことと、大きなエネルギーギャップが存在することから、電子格子相互作用が2H-NbSe2におけるCDW形成の主因であると考えられる。
• 欠陥はCDW秩序の核化中心として機能し、均一でバルク的転移とは異なり、これらのナノスケールパッチの成長と融合によって転移が進行することが示された。