FUTURE | 远见 闵青云 选编
近日，北京大学Yan Zhang研究小组利用角分辨光电子能谱（ARPES）和碱金属沉积技术，成功测量了1T-TiSe₂中导带（CB）随温度变化的详细特性。通过在样品表面沉积碱金属原子，引入额外电子，使得CB下降至费米能级之下，从而实现了对其的直接观测。相关成果发表在Nature Communications上。
研究背景
1T-TiSe₂是一种强有力的候选材料，用于实现激子玻色-爱因斯坦凝聚（BEC），广泛应用于量子材料和电子器件等领域。作为一种典型的过渡金属硫族化物，1T-TiSe₂的晶体结构由TiSe₂层的堆叠形成。与传统的半导体材料相比，1T-TiSe₂具有约80 meV的间接带隙，这使其在低温下进入2×2×2的电荷密度波（CDW）状态。电荷密度波的形成机制仍存在争议，既可以归因于激子对的相互作用，也可能与贾恩-泰勒效应有关，这些都为理解其电子特性和相变提供了重要线索。然而，该材料在CDW转变中的传输性质表现出异常行为，电阻在205 K以下首先增加，然后在165 K处迅速下降，这一非单调行为的起源尚在讨论之中。
研究内容
研究发现，在CDW状态下，CB与价带（VB）之间存在显著的杂化间隙，这一间隙的大小与CDW有序程度密切相关。当温度或载流子掺杂增加时，CDW有序性被抑制，从而使杂化间隙减小。此外，研究还发现，1T-TiSe₂的ARPES谱在165 K处展现出从非相干态到相干态的跨越，表明在此温度以下，该系统可定义为相干金属，具有明显的准粒子特性。这一发现为解释1T-TiSe₂的异常传输性质提供了实验依据，也暗示了在这一新型材料中激子BEC的可能形成。
图文导读
本文通过角分辨光电子能谱（ARPES）和原位碱金属沉积等表征手段，发现了1T-TiSe₂中发生的无序-有序跃迁现象，从而揭示了其电子结构的演变及其与载流子密度和温度的关系。在165 K的温度下，1T-TiSe2的电子输运特性发生了明显的变化，表明了系统由无序态转变为有序态的过程。这一现象通过光谱数据的分析得到了支持，显示出高温下（165 K以上）缺乏明确的费米切割，表明该系统表现为无序金属特性，而在低于165 K时，电子的相干性显著增强，表明系统转变为有序金属状态。
针对165 K下的输运异常现象，本文通过深入分析其微观机制，探讨了载流子间的相互作用以及晶格畸变对电子行为的影响。研究发现，1T-TiSe2的电子结构演变可分为三个阶段：首先，在临界温度Tcdw以上形成短程电荷密度波（CDW），然后发生能带混合，Ti-3d导电带的电子转移导致其性质的变化。其次，随着温度的降低，电子与声子的相互作用不可忽视，进而影响电子的输运行为。在165 K以下，随着载流子相干性的增强，载流子的寿命显著提高，表明系统从相对无序状态向更有序状态转变。
此外，通过高分辨率X射线衍射（XRD）和光学光谱等技术手段，本文进一步确认了在165 K处发生的无序-有序跃迁，并与其他研究结果进行比较，解释了这一跃迁背后的物理机制。在低于Tcdw的温度范围内，本文观察到Ti-3d电子和Se-4p孔之间的激子形成得到了显著提升，并且CDW序的增强使得混合能带间的能隙增大。这一发现为理解在强电子关联体系中如何实现电子和声子之间的相互作用提供了新视角。
图 1 | 1T-TiSe₂的晶体结构、费米面和能带结构。
图 2 | 1T -TiSe₂电子结构的掺杂依赖性。
图 3 | 轻掺杂样品1T -TiSe₂的电子结构随温度的变化。
图 4 | 1T -TiSe₂中不同温度尺度的表征。
科学启迪
总之，利用ARPES和原位碱金属沉积，作者表征了1T-TiSe₂电子结构的详细掺杂依赖性和温度依赖性。作者建立了CDW有序强度与激子形成之间的密切关系。当CDW有序因温度或载流子掺杂的增加而被抑制时，导带和价带之间的混合能隙减小。更重要的是，作者揭示了在165 K处的无序到有序的跨越。作者将其归因于发生在1T-TiSe₂ CDW转变下的激子BEC。作者的结果自然解释了在1T-TiSe₂中运输和光学测量在165K处观察到的异常。它还指出了在1T-TiSe₂中金属态和激子绝缘态的有趣共存。虽然c₂/c₃带上的电子表现出金属行为，但c1带上的电子与v带上的空穴结合，表现出绝缘行为。令人惊讶的是，尽管存在自由电子，但在1T-TiSe₂中激子相关性得以建立。需要进一步的实验和理论研究以理解1T-TiSe₂中具有冲突特性的电子态的这种奇特共存。
文章链接（点击「阅读原文」）：https://doi.org/10.1038/s41467-024-53647-x
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