科研进展|上科大物质学院联合团队在新型窄带隙半导体表面实验发现可调谐量子阱电子态

近日，上海科技大学物质学院陈宇林/柳仲楷课题组与郭艳峰课题组在新型窄带隙半导体Nb₂SiTe₄研究中取得重要进展。通过角分辨光电子能谱及隧道扫描显微谱等研究方法，首次在此材料体系中发现局域于材料表面的量子阱电子态(Quantum Well State)，并通过表面钾原子掺杂，实现了量子阱态的可控调节。该成果以“Direct Visualization and Manipulation of Tunable Quantum Well State in Semiconducting Nb₂SiTe₄”为题在学术期刊ACS Nano上在线发表。

量子阱态是量子力学在凝聚态材料中体现出的重要性质。晶体势场在材料界面/表面发生变化时会形成势阱，当其宽度与电子德布罗意波长匹配时，电子会在势阱内形成能级分立的驻波，即量子阱。量子阱电子态在不同的材料体系中呈现出高迁移率、超导及铁磁性、量子自旋霍尔效应等诸多优良特性。电子功能器件中，量子阱态在金属-氧化物半导体场效应晶体管、红外探测器及二极管激光器中起着关键性的作用。

Nb₂SiTe₄表面量子阱电子态示意图。(a)半导体样品/真空表面(i)及掺K后样品/真空表面(ii)。(b)K掺杂前后Nb₂SiTe₄量子阱态在样品表面附近分布的示意图。纵轴为能量，横轴为宽度（x）与距离表面深度（z）。（c）K掺杂前后Nb₂SiTe₄量子阱态在动量空间的示意图。纵轴为能量，横轴为水平方向动量。

此项工作中，陈宇林/柳仲楷课题组创新性地使用了角分辨光电子能谱及隧道扫描显微谱技术，在一类新型窄带隙半导体材料Nb₂SiTe₄表面实验发现了量子阱态，并实现了能带带隙、有效质量、分立子能带间隙等完整能带参数的定量测量。此量子阱态位于样品/真空表面，在动量方向上体现为平带特征，具有较大态密度，因此为光吸收/发射等应用提供良好物理基础。进一步，通过向表面蒸发钾原子方式引入自由电荷改变势阱深度，可实现对量子阱态的能量位置及分立能级间距的有效连续调节。这一可调控量子阱态的实现为可选择能量的光吸收/发射等应用奠定物理基础。课题组通过与南京大学张海军课题组合作，通过第一性原理计算验证了此量子阱态的物理起源和调制机理。

Nb₂SiTe₄量子阱电子态的实验测量与调控。左图，通过角分辨光电子能谱测量得到Nb₂SiTe₄表面量子阱态。箭头所示为不同分立能级。中图，表面钾原子掺杂后实现调制的Nb₂SiTe₄量子阱电子态。箭头所示为对应左图的不同分立能级。右图，实验测量分立能级随钾原子掺杂量演化（黑色）与理论计算(蓝色)对比。

量子阱态的实验发现和成功调控是物质学院团队在Nb₂Si_X-1Te₄材料体系研究中取得的又一新进展。郭艳峰课题组在世界上首先合成此材料并展开深入研究，在之前的工作中，物质学院科研团队于2019年发现Nb₂SiTe₄体系具有很好的中红外响应，于2021年发现Nb₂Si_X-1Te₄体系中具有一维金属链与二维半导体的共存。包括此次量子阱态实验发现在内，这些重要的新发现将对该材料体系的进一步深入研究和在光电器件方面利用打下优良基础。

该项研究由上海科技大学与南京大学协作完成。上科大物质学院2019级博士研究生张敬、南京大学研究生杨志龙为共同第一作者，上科大特聘教授陈宇林、助理教授柳仲楷、助理教授郭艳峰和南京大学张海军教授为共同通讯作者，上海科技大学为第一完成单位。该研究得到了科技部重点研发计划、中科院先导计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等经费支持。该项目得到了上海同步辐射光源BL03U、合肥国家同步辐射实验室BL13U线站及上海科技大学分析测试中心的帮助。

文章链接

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.1c03666

图　文　　　柳仲楷

排　版　　　韩嘉勋

编　辑　　　陈　蕾

高　瑄