[论文解读] 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 19

一句话总结

本研究利用原子分辨率扫描隧道显微镜（STM）在实空间中直接观测了本征2H-NbSe2中的电荷密度波（CDW）转变。结果表明，纳米尺度的CDW序在远高于体相转变温度Tcdw的温度下即在缺陷附近成核，随着温度降低，关联长度持续增加，直至形成长程有序，表明缺陷在转变动力学中起着关键作用。CDW波长与温度和能量无关，光谱成像显示费米能级以下存在0.7 eV的能隙，表明电子-晶格耦合是CDW形成的主要机制，而非费米面嵌套效应。

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.

研究动机与目标

• 利用原子分辨率扫描隧道显微镜（STM）在实空间中直接可视化本征2H-NbSe2中的电荷密度波（CDW）转变。
• 研究缺陷在远高于体相转变温度Tcdw的温度下引发CDW序的作用。
• 确定CDW序的空间演化及其关联长度随温度的变化规律。
• 探测CDW相的能依赖电子结构，并确定NbSe2中CDW不稳定性产生的根源。

提出的方法

• 采用原子分辨率扫描隧道显微镜（STM）在不同温度下成像本征2H-NbSe2的实空间电子结构。
• 利用空间分辨光谱成像技术，绘制CDW序参数的实空间相位与振幅。
• 进行温度依赖性测量，追踪CDW关联长度与序参数从Tcdw以上到以下的演化过程。
• 采集能量分辨隧道谱，确定CDW相中相对于费米能级的能隙。
• 分析缺陷位点，评估其在引发CDW成核中的作用。
• 通过实空间STM图像的傅里叶变换提取CDW波长，以确认其与温度和能量无关。

实验结果

研究问题

• RQ1 CDW序在实空间中如何成核，缺陷在该过程中的作用是什么？
• RQ2 纳米尺度CDW畴首次出现的温度是多少，其关联长度如何随冷却而演化？
• RQ3 2H-NbSe2中的CDW波长是否依赖于温度或能量，这对其潜在机制有何启示？
• RQ4 CDW相中的能隙结构如何，是否支持电子-晶格耦合作为CDW形成的主要机制？
• RQ5 2H-NbSe2中的CDW转变是通过连续还是离散的成核路径进行的？

主要发现

• 纳米尺度CDW序在远高于体相转变温度Tcdw的温度下于缺陷附近成核，最早信号出现在约100 K处，远高于Tcdw ≈ 30 K。
• CDW畴的关联长度随温度降低而持续增加，表明有序性连续增长，直至在整个样品中形成长程CDW序。
• CDW波长在所有测量温度和能量下均保持恒定，约为1.8 nm，表明其为系统的一种稳定本征性质。
• 光谱成像揭示CDW相中费米能级以下存在一个0.7 eV的尖锐能隙，且该能隙不随温度和能量变化。
• 费米面嵌套效应无显著依赖性，结合较大的能隙，表明电子-晶格相互作用是2H-NbSe2中CDW形成的主要驱动力。
• 缺陷作为CDW序的成核中心，转变过程通过这些纳米尺度畴的生长与合并实现，而非均匀的体相转变。