近日，上�？萍即髮W(xué)物質(zhì)學(xué)院陳宇林/柳仲楷課題組與郭艷峰課題組在新型窄帶隙半導(dǎo)體Nb₂SiTe₄研究中取得重要進(jìn)展。通過角分辨光電子能譜及隧道掃描顯微譜等研究方法，首次在此材料體系中發(fā)現(xiàn)局域于材料表面的量子阱電子態(tài)(Quantum Well State)，并通過表面鉀原子摻雜，實(shí)現(xiàn)了量子阱態(tài)的可控調(diào)節(jié)。該成果以“Direct Visualization and Manipulation of Tunable Quantum Well State in Semiconducting Nb₂SiTe₄”為題在學(xué)術(shù)期刊ACS Nano上在線發(fā)表。

量子阱態(tài)是量子力學(xué)在凝聚態(tài)材料中體現(xiàn)出的重要性質(zhì)。晶體勢場在材料界面/表面發(fā)生變化時(shí)會(huì)形成勢阱，當(dāng)其寬度與電子德布羅意波長匹配時(shí)，電子會(huì)在勢阱內(nèi)形成能級分立的駐波，即量子阱。量子阱電子態(tài)在不同的材料體系中呈現(xiàn)出高遷移率、超導(dǎo)及鐵磁性、量子自旋霍爾效應(yīng)等諸多優(yōu)良特性。電子功能器件中，量子阱態(tài)在金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管、紅外探測器及二極管激光器中起著關(guān)鍵性的作用。

Nb₂SiTe₄表面量子阱電子態(tài)示意圖。(a)半導(dǎo)體樣品/真空表面(i)及摻K后樣品/真空表面(ii)。(b)K摻雜前后Nb₂SiTe₄量子阱態(tài)在樣品表面附近分布的示意圖�？v軸為能量，橫軸為寬度（x）與距離表面深度（z）。（c）K摻雜前后Nb₂SiTe₄量子阱態(tài)在動(dòng)量空間的示意圖�？v軸為能量，橫軸為水平方向動(dòng)量。

此項(xiàng)工作中，陳宇林/柳仲楷課題組創(chuàng)新性地使用了角分辨光電子能譜及隧道掃描顯微譜技術(shù)，在一類新型窄帶隙半導(dǎo)體材料Nb₂SiTe₄表面實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了量子阱態(tài)，并實(shí)現(xiàn)了能帶帶隙、有效質(zhì)量、分立子能帶間隙等完整能帶參數(shù)的定量測量。此量子阱態(tài)位于樣品/真空表面，在動(dòng)量方向上體現(xiàn)為平帶特征，具有較大態(tài)密度，因此為光吸收/發(fā)射等應(yīng)用提供良好物理基礎(chǔ)。進(jìn)一步，通過向表面蒸發(fā)鉀原子方式引入自由電荷改變勢阱深度，可實(shí)現(xiàn)對量子阱態(tài)的能量位置及分立能級間距的有效連續(xù)調(diào)節(jié)。這一可調(diào)控量子阱態(tài)的實(shí)現(xiàn)為可選擇能量的光吸收/發(fā)射等應(yīng)用奠定物理基礎(chǔ)。課題組通過與南京大學(xué)張海軍課題組合作，通過第一性原理計(jì)算驗(yàn)證了此量子阱態(tài)的物理起源和調(diào)制機(jī)理。

Nb₂SiTe₄量子阱電子態(tài)的實(shí)驗(yàn)測量與調(diào)控。左圖，通過角分辨光電子能譜測量得到Nb₂SiTe₄表面量子阱態(tài)。箭頭所示為不同分立能級。中圖，表面鉀原子摻雜后實(shí)現(xiàn)調(diào)制的Nb₂SiTe₄量子阱電子態(tài)。箭頭所示為對應(yīng)左圖的不同分立能級。右圖，實(shí)驗(yàn)測量分立能級隨鉀原子摻雜量演化（黑色）與理論計(jì)算(藍(lán)色)對比。

量子阱態(tài)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)和成功調(diào)控是物質(zhì)學(xué)院團(tuán)隊(duì)在Nb₂Si_X-1Te₄材料體系研究中取得的又一新進(jìn)展。郭艷峰課題組在世界上首先合成此材料并展開深入研究，在之前的工作中，物質(zhì)學(xué)院科研團(tuán)隊(duì)于2019年發(fā)現(xiàn)Nb₂SiTe₄體系具有很好的中紅外響應(yīng)，于2021年發(fā)現(xiàn)Nb₂Si_X-1Te₄體系中具有一維金屬鏈與二維半導(dǎo)體的共存。包括此次量子阱態(tài)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在內(nèi)，這些重要的新發(fā)現(xiàn)將對該材料體系的進(jìn)一步深入研究和在光電器件方面利用打下優(yōu)良基礎(chǔ)。

該項(xiàng)研究由上�？萍即髮W(xué)與南京大學(xué)協(xié)作完成。上科大物質(zhì)學(xué)院2019級博士研究生張敬、南京大學(xué)研究生楊志龍為共同第一作者，上科大特聘教授陳宇林、助理教授柳仲楷、助理教授郭艷峰和南京大學(xué)張海軍教授為共同通訊作者，上海科技大學(xué)為第一完成單位。該研究得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院先導(dǎo)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金等經(jīng)費(fèi)支持。該項(xiàng)目得到了上海同步輻射光源BL03U、合肥國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室BL13U線站及上�？萍即髮W(xué)分析測試中心的幫助。

文章鏈接（點(diǎn)擊閱讀原文獲取更多內(nèi)容）：

https://pubs.網(wǎng)址未加載/doi/abs/10.1021/acsnano.1c03666

圖 文 柳仲楷

排 版 韓嘉勛

編 輯 陳 蕾

高 瑄

今天“分享”“點(diǎn)贊”“在看”了嗎？