资讯：探索低维材料中的极化子转变 | Tellurene的厚度依赖性研究

文章来源：低维 昂维         

【研究背景】

极化子是由电子-声子耦合形成的准粒子，对材料的多种物理性质有重要影响，包括高温超导性和巨磁阻等。极化子的形成机制涉及到电子与晶格振动（声子）之间的相互作用，这种相互作用导致电子周围形成一个极化云，极化云会随着电子一起运动。这种极化云的存在使得电子的有效质量增加，迁移率降低，导电性表现为跳跃式导电，与近自由电子的行为有显著不同。极化子在材料中的存在和行为对电子输运、磁阻、铁电性和热电性等物理性质有着深远的影响。

在固态材料中，极化子可以根据电子和声子之间的耦合强度分为小极化子和大极化子。小极化子的电子-声子耦合较强，电子在空间上的分布较小，通常局限于一个与单位晶胞大小相当的区域内。相反，大极化子的电子-声子耦合较弱，电子可以在晶格中更大的区域内离域。从大极化子到小极化子的转变（从弱耦合到强耦合）通常与金属到半导体/绝缘体的转变相关。

Te作为一种由手性链组成的低维材料，因其独特的性质和在宽带光探测器、高迁移率场效应晶体管等领域的应用潜力而备受关注。Te的载流子迁移率表现出对薄膜厚度的依赖性，这与Te从块体到少层的带隙增加一致。Te的电子结构对厚度的依赖性也导致了在不同温度下出现不同的拓扑态。莱斯大学黄声希教授团队联合麻省理工学院李明达教授团队及其他合作者在Science Advances上报道了Te中极化子的形成及其随厚度变化的跃迁现象，以期为理解和调控低维材料中的极化子性质提供新的视角和方法。该文的第一作者是黄声希教授课题组的博士毕业生张坤妍。    

【研究方法】

1.拉曼光谱测量

使用 拉曼光谱仪在室温下测量了不同厚度Te的拉曼光谱。通过 532nm 激光束激发，收集的光斑大小为1μm²,激光功率保持在40μW以下以避免样品损伤。通过偏振分辨测量和差分反射光谱测量，研究了Te的声子模式。

2.X射线吸收光谱（EXAFS）分析

在Argonne国家实验室的Advanced Photon Source进行了 EXAFS 测量，以研究 Te的局部原子结构。样品为沉积在 Kapton 薄膜上的不同厚度的Te片。测量在Te K-edge (31.814 keV) 进行，使用同步辐射，通过离子化室填充氩气进行传输模式收集。

3.第一性原理计算

使用 Vienna模拟包（VASP v.5.4.4）进行第一性原理计算，采用PAW伪势和 Perdew-Burke-Ernzerhof泛函处理电子-离子相互作用和交换相关相互作用。对 bulk Te 和 few-layer Te 系统进行了结构优化和声子计算，计算了声子模式引起的偶极矩变化。

4.自定义理论模型

模型基于哈密顿量，包括非相互作用电子、非相互作用声子和电子-声子耦合三部分。通过朗弗里夫-费罗索夫规范变换和格林函数方程运动方法，理论预测了小极化子对声子频率和线宽的影响。

【研究成果】

1．厚度依赖的拉曼特征

随着Te厚度的减小，A1声子模式显示出明显的蓝移和线宽展宽。对于厚度低于10nm的 Te，A1声子频率增加了10 cm⁻¹，线宽增加了 5cm⁻¹。这种声子特性的变化与Te的电子输运特性变化一致，表明在 10 ± 2 nm的临界厚度附近发生了从大极化子到小极化子的转变。

2. 声子极性和带隙的厚度依赖性    

第一性原理计算显示，bulk tellurium 中的 A1 声子是非极性的，但在 few-layer Te中，A1 声子变得越来越极性。这种极性增加是形成小极化子的关键因素。具体来说，A1 声子在 few-layer tellurene 中引起的偶极矩变化显著大于在 bulk Te中的变化。计算得到的带隙从 bulk tellurium 的 0.23 eV 增加到双层Te的 1.363 eV。这种带隙的增加导致了厚度依赖的光吸收特性，进一步支持了从大极化子到小极化子的转变。

3．极化子理论对声子重整化的影响

理论分析表明，小极化子对声子频率和线宽有显著影响，而大极化子影响较小。具体来说，小极化子导致声子频率增加和线宽展宽，这与实验观察到的声子行为一致。理论预测的声子频率和线宽的厚度依赖性与实验数据吻合良好。小极化子和大极化子的声子频率和线宽的温度依赖性不同。实验中观察到的声子频率差异在低温下继续减小，与理论预测的小极化子和大极化子之间的频率差异一致。

5.链间和链内距离的结构变化

XAFS 分析显示，随着Te厚度的减小，相邻 Te 链之间的距离发生显著变化。具体来说，7 nm 厚的Te相比于 18 nm 厚的Te，链间距离在横向减少了 0.19 Å（4%）和 0.57 Å（12%），而在垂直方向略有增加。这些结构变化支持了小极化子的形成。第一性原理的计算结果与 EXAFS 分析一致，显示了 few-layer Te的链间和链内距离的变化。具体来说，链内距离 d1 和 d2 随层数减少而略有减少，而横向链间距离 dY 随厚度减小而显著减少。这些结构变化进一步支持了小极化子的形成。

【论文插图】    

图1。碲的厚度相关结构、声子和电子性质。（A） 碲的晶体结构。（B） 厚度为9.1 nm的碲的光学图像。插图：箭头方向的深度剖面。（C） 碲的扫描透射电子显微镜图像。（D） 不同厚度碲的拉曼光谱。插图：A1和E2声子模的晶格振动。（E到G）A1声子频率、线宽和不对称性与厚度的函数关系。（H） 碲的场效应迁移率与厚度的函数关系。

图2。计算了少层碲和块状碲的声子极性和能带结构。（A） 计算出的A1声子频率。（B） 计算出的A1模偶极矩随厚度的变化。（C至F）关于实验几何形状的俯视图和侧视图，显示了2L碲和块状碲中A1模式的计算晶格振动。红色箭头代表原子振动。（G） 计算出的碲带隙与厚度的函数关系。计算了（H）2L碲和（I）块状碲的能带结构。    

图3。理论预测了声子硬化和展宽效应。（A） 极化子的图解。左：箭头代表吸引力（红色）和排斥力（蓝色）。右：小半径的红色球体和大半径的蓝色球体分别表示小极化子和大极化子的形成。（B） 理论预测的小极化子和大极化子的声子频率。示意性地描绘了厚度依赖性。（C） 理论预测了小极化子和大极化子的单环极化子校正声子线宽。理论线宽仅包括极化子的贡献。示意性地描绘了厚度依赖性。碲烯在4至18nm范围内的实验数据由封闭的正方形显示。

图4。三种不同厚度碲的X射线吸收光谱。（A） 碲K边三种不同厚度碲的归一化x射线近边精细结构光谱。x射线吸收光谱在y轴上移动以显示全光谱。吸收边的能量偏移可以忽略不计（<3eV）。（B） EXAFS（开点）及其在k2权重下的拟合（实线），并减去背景。（C） EXAFS数据的傅里叶变换。（D） 通过EXAFS拟合获得了最近的Te原子之间的链内距离d1^EXAFS、单链中第二近的Te原子间的距离d2^EXAFS和相邻链之间的横向距离dY^EXAFS。    

图5。通过第一性原理计算链内和链间距离。（A） 单链中最近的Te原子之间的距离d1和第二最近的Te分子之间的距离d2的示意图。（B） 水平链间距dY和垂直链间距dZ。（C到F）链内距离（C）d1和（D）d2，以及链间距离（E）dY和（F）dZ是通过第一性原理计算不同层数的碲来计算的。错误条表示一个单位单元格内的SD。

【结论与展望】

本研究通过实验、计算和理论分析，全面揭示了Te中极化子的厚度依赖性，特别是从大极化子到小极化子的转变。具体来说，随着Te厚度的减小，A1 声子模式显示出明显的蓝移和线宽展宽，表明从大极化子到小极化子的转变。第一性原理计算进一步证实了 A1 声子的极性随厚度减小而增加，支持了小极化子的形成。此外，EXAFS 分析显示，随着厚度的减小，相邻 Te 链之间的距离发生显著变化，这与小极化子的形成一致。这些发现不仅揭示了低维材料中极化子对声子性质、电子结构和输运特性的影响，还为理解和设计基于 tellurene 的电子器件提供了重要的理论和实验基础。

【论文信息】    

Sci. Adv.11,eads4763(2025).DOI:10.1126/sciadv.ads4763