[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究利用角分辨光电子能谱和扫描隧道显微镜研究了单层TiTe₂，发现其具有(2×2)电荷密度波序，转变温度为92±3 K，在4.2 K时费米能级处出现28 meV的赝隙。令人惊讶的是，双层或更多层相中并未出现此类转变，这挑战了人们对低维体系中电荷密度波形成机制的传统理解。

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.

研究动机与目标

• 研究单层TiTe₂的电子性质，并与多层和体相进行比较。
• 理解二维过渡金属二硫属化物中电荷密度波序的起源与形成机制。
• 探索单层TiTe₂在低温下赝隙的存在及其本质。
• 解决单层与多层TiTe₂之间电荷密度波行为的差异，该差异违背了维度减小的预期。

提出的方法

• 采用角分辨光电子能谱（ARPES）探测单层TiTe₂的电子能带结构和费米面。
• 利用扫描隧道显微镜与谱学（STM/STS）在实空间成像电荷密度波序，并测量局域态密度。
• 进行温度依赖性测量，以确定电荷密度波形成的临界转变温度。
• 在单层、双层和多层TiTe₂之间开展对比研究，以分离层数在电荷密度波和赝隙形成中的作用。
• 通过密度泛函理论（DFT）和紧束缚模型进行理论分析，以支持实验数据的解释。

实验结果

研究问题

• RQ1 单层TiTe₂中的电子序性质是什么？其与多层对应物有何不同？
• RQ2 单层TiTe₂中(2×2)电荷密度波转变的温度是多少？
• RQ3 单层TiTe₂的费米能级是否存在赝隙？其随温度如何演化？
• RQ4 尽管体相TiTe₂具有准二维特性，为何电荷密度波序仅在单层极限下出现？
• RQ5 原子级薄的过渡金属二硫属化物中电荷密度波的形成机制是什么？

主要发现

• 通过ARPES和STM证实，单层TiTe₂中出现(2×2)电荷密度波序，转变温度为92±3 K。
• 在4.2 K时，单层TiTe₂的费米能级处观察到约28 meV的赝隙，表明电子态密度部分打开。
• 尽管具有准二维特性，双层或更多层TiTe₂中未检测到电荷密度波转变。
• 单层TiTe₂中的电荷密度波态对维度极为敏感，表明其存在强电子关联或晶格耦合效应，这种效应在单层中独特。
• 厚相中无电荷密度波现象挑战了基于嵌套或维度减小的传统电荷密度波形成模型，提示二维体系中存在新颖的多体效应。