近期，強磁場科學中心楊曉萍研究員與陸輕鈾研究員合作，對二維過渡金屬硫化物材料MoTe₂溫度依賴的表面STM圖像、電子結構、晶格動力學和拓撲性質進行了研究。研究結果以“Uniaxial negative thermal expansion and band renormalization in monolayer Td-MoTe2 at low temperature”為題，發表在美國物理學會雜志《物理評論B》上 。

　　MoTe₂是二維過渡金屬硫族化合物MX₂家族的典型代表，在不同溫度下可以實現2H，1T'和T_d相的生長，同時它還具有超導性和非平庸拓撲性質。近來對Td相MoTe₂低溫磁阻“開關”現象的研究發現了各向異性負熱膨脹效應，同時表面STM圖像在70K和7K時有非常顯著的差異（圖1）。這表明MoTe₂在低溫下可能經歷了溫度誘導的電子相變，同時也有相關文獻基于載流子濃度的異常變化得到了類似的結論。

　　溫度引起的結構變化及其對物理性能的影響對基于器件應用的材料制備是至關重要的。為了解70K以下各向異性負熱膨脹和異常表面STM圖像的微觀起源，強磁場中心楊曉萍研究員從理論計算角度研究了MoTe₂溫度依賴的電子結構，晶格動力學和拓撲性質。值得注意的是，研究發現MX₆八面體畸變導致的不等價的Te原子對聲子譜和電子結構有定性不同的貢獻。面內縱向聲學模和Te(2)原子分別對單軸負熱膨脹和溫度依賴的電子相變的產生起重要作用。有趣的是，在標度相對論近似下，體系一旦冷卻至70K以下，費米能級處的能帶發生重整化，伴隨著出現一個II型向I型的狄拉克相轉變。自旋軌道耦合的引入引起溫度依賴的平庸半金屬向半導體的轉變。研究結果很好地解釋了實驗現象：低于70K的表面STM反常圖像并非源于Te原子的移動，而是由于強的電子-晶格耦合，使費米能級附近的能帶發生重整化（參見圖2）。

　　該工作，為二維過渡金屬硫化物材料MX₂的低溫研究、實驗制備和器件開發提供了直接的理論支持，其揭示的MoTe₂低溫下反常物性的內在物理機制對其它具有內在MX₆八面體結構畸變的二維材料同樣具有參考價值。

　　該研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中科院合肥科學中心、中科院科研儀器設備研制等項目的大力支持。

圖1. Td相MoTe2在T = 7 K（a）和70 K（b）時的原子分辨率表面STM圖像。 藍色矩形表示二維原胞【Phys. Rev. B 96, 075132 (2017)】。

圖2. 溫度為7K（a）和70K（b）時包含自旋軌道耦合的GGA能帶結構。 圓圈的尺寸代表不同軌道對能量態的貢獻。

（c）和（d）分別是7K時低于價帶頂0.1eV的占據態，和70K時費米能級以下0.1eV占據態的分波電荷密度。藍色矩形代表二維原胞。