Kagome超導體與二維材料：基于角分辨光電子能譜的微觀電子結構探秘一、引言1.1研究背景與意義在凝聚態物理的廣袤研究領域中，Kagome超導體與二維材料憑借其獨特的物理性質和潛在的應用價值，占據著舉足輕重的地位。Kagome超導體，因其特殊的Kagome晶格結構而得名，這種晶格由對頂的三角格子組成，呈現出高度的幾何對稱性。在該晶格系統中，電子間的相互作用表現出強烈的關聯性和拓撲性，使得Kagome超導體展現出豐富多樣的量子現象，如超導性、電荷密度波、量子自旋液體等，為探索凝聚態物理中的新奇物理機制提供了理想的研究平臺。二維材料則是指原子在二維平面內呈周期性排列的材料，其原子層數通常較少，一般為單層或少數幾層。由于維度的限制，二維材料的電子態密度、能帶結構以及電子-電子相互作用等性質與傳統三維材料截然不同，呈現出許多獨特的物理特性。例如，石墨烯作為典型的二維材料，具有優異的電學性能，其載流子遷移率極高，可達200,000cm2/(V?s)以上，且電子在其中的運動呈現出相對論性的狄拉克費米子行為；過渡金屬二硫化物（如MoS?、WS?等）具有直接帶隙，在光電器件領域展現出巨大的應用潛力，可用于制備高性能的光電探測器、發光二極管等。這些獨特的性質使得二維材料在高速電子學、高效能源存儲與轉換、高靈敏度傳感器等眾多領域展現出廣闊的應用前景，成為凝聚態物理和材料科學領域的研究熱點之一。深入研究Kagome超導體和二維材料的電子結構對于理解其物理性質和開發潛在應用至關重要。電子結構決定了材料中電子的能量和動量分布，進而影響材料的電學、磁學、光學等宏觀物理性質。通過精確測定電子結構，能夠揭示材料中電子的相互作用機制、能帶拓撲結構以及量子相變等關鍵物理信息，為解釋材料的超導機理、電荷密度波形成機制以及其他新奇量子現象提供理論基礎。角分辨光電子能譜（ARPES）技術作為一種先進的表面分析技術，在研究材料電子結構方面發揮著關鍵作用。ARPES的基本原理基于光電效應，當具有足夠能量的光子照射到材料表面時，材料中的電子吸收光子能量后克服表面勢壘逸出，成為光電子。通過精確測量光電子的動能和出射角度，利用能量守恒和動量守恒定律，可以直接獲取材料中電子的能量-動量分布信息，即電子能帶結構。這種技術能夠提供關于材料電子結構的高分辨率、動量分辨的信息，是目前唯一一種可以直接測量材料動量空間中電子能帶結構的實驗手段。在Kagome超導體的研究中，ARPES技術有助于深入探究超導態與電荷密度波態之間的相互關系以及超導配對機制。例如，通過ARPES測量可以確定超導能隙的大小、對稱性以及能隙在動量空間中的分布情況，為判斷超導配對對稱性提供直接實驗證據。同時，對于電荷密度波態，ARPES能夠揭示其引起的電子結構重構，包括費米面的變化、能帶的折疊以及能隙的打開等，從而深入理解電荷密度波的起源和特性。在二維材料的研究中，ARPES可以精確測定二維材料的能帶結構，確定其帶隙性質（如直接帶隙或間接帶隙）、狄拉克點的位置和性質以及電子-聲子相互作用等關鍵信息，對于二維材料的性能優化和器件應用具有重要指導意義。綜上所述，本研究旨在運用ARPES技術深入研究Kagome超導體和二維材料的電子結構，揭示其內在物理機制，為凝聚態物理領域的理論發展提供實驗依據，同時為新型超導材料和二維材料基器件的開發與應用奠定基礎，具有重要的科學意義和潛在的應用價值。1.2國內外研究現狀1.2.1Kagome超導體的研究現狀Kagome超導體作為凝聚態物理領域的研究熱點，近年來吸引了眾多科研人員的關注。其獨特的Kagome晶格結構賦予了材料豐富的物理性質，使得該領域的研究取得了顯著進展。在實驗研究方面，多種實驗技術被廣泛應用于Kagome超導體的研究中。其中，電輸運測量是研究材料電學性質的重要手段之一。通過測量不同溫度和磁場下的電阻、霍爾效應等參數，可以獲取材料的載流子濃度、遷移率以及超導轉變溫度等關鍵信息。例如，對于典型的Kagome超導體AV?Sb?（A=K,Rb,Cs），電輸運測量發現其超導轉變溫度在一定范圍內變化，并且超導性與電荷密度波（CDW）存在密切關聯。在CsV?Sb?中，通過電輸運測量觀察到隨著溫度降低，在特定溫度下出現電荷密度波轉變，同時超導轉變溫度也受到電荷密度波的影響，二者呈現出復雜的相互作用關系。掃描隧道顯微鏡（STM）能夠在原子尺度上對材料表面的電子態進行成像和分析，為研究Kagome超導體的局域電子結構提供了重要信息。利用STM技術，科研人員在CsV?Sb?表面觀測到了電荷密度波調制的原子尺度圖案，揭示了電荷密度波在實空間的分布特征。通過測量隧道譜，還可以獲取材料的局域態密度信息，研究超導能隙的空間變化以及超導與電荷密度波的共存機制。在一些研究中，發現超導能隙在電荷密度波區域存在明顯的調制，表明二者之間存在相互耦合。核磁共振（NMR）技術則可以深入研究材料內部的原子核自旋-晶格弛豫時間、化學位移等參數，從而獲得關于材料電子自旋狀態、電子-電子相互作用以及超導配對機制等方面的信息。在Kagome超導體的研究中，NMR實驗結果為理解材料中的電子關聯效應和超導機制提供了重要依據。例如，通過測量自旋-晶格弛豫時間在超導轉變溫度附近的變化，發現其與傳統超導材料存在明顯差異，暗示了Kagome超導體中可能存在非常規的超導配對機制。在理論研究方面，科研人員運用第一性原理計算、量子蒙特卡羅模擬等方法對Kagome超導體的電子結構、超導機制以及電荷密度波等性質進行了深入探討。第一性原理計算基于量子力學原理，從原子層面出發，能夠精確計算材料的電子結構和物理性質。通過第一性原理計算，研究人員揭示了Kagome超導體中電子的能帶結構、態密度分布以及原子間的相互作用。計算結果表明，Kagome晶格的特殊幾何結構導致了材料中存在范霍夫奇點，這與電荷密度波的形成密切相關。同時，理論計算還預測了超導配對的可能對稱性，為實驗研究提供了理論指導。量子蒙特卡羅模擬則是一種基于統計物理的數值計算方法，能夠處理多體相互作用問題，模擬材料在不同條件下的量子態。在Kagome超導體的研究中，量子蒙特卡羅模擬被用于研究電子在強關聯作用下的行為，探索超導態和電荷密度波態的穩定性以及它們之間的競爭與共存關系。通過模擬不同的電子相互作用模型，發現電子之間的庫侖相互作用和自旋-軌道耦合對Kagome超導體的物理性質具有重要影響。1.2.2二維材料的研究現狀二維材料由于其獨特的原子結構和電子特性，在過去幾十年中成為了材料科學和凝聚態物理領域的研究焦點，展現出了廣泛的應用前景和重要的科學價值。在實驗研究方面，多種先進的實驗技術被用于二維材料的表征和性能研究。拉曼光譜是一種常用的無損檢測技術，通過測量材料對激光的非彈性散射光的頻率和強度變化，可以獲取材料的晶格振動模式、晶體結構以及缺陷等信息。在二維材料中，拉曼光譜能夠清晰地分辨出不同層數的材料，并且對材料的應力、摻雜等狀態非常敏感。例如，在石墨烯的研究中，拉曼光譜中的G峰和2D峰的位置、強度和形狀可以準確地反映石墨烯的層數、質量以及電子摻雜情況。通過對拉曼光譜的分析，還可以研究二維材料與襯底之間的相互作用，以及材料在器件制備過程中的結構變化。光致發光光譜（PL）則主要用于研究二維材料的光學性質，特別是材料的帶隙特性和激子發光現象。由于二維材料的量子限域效應，其帶隙結構與傳統三維材料存在明顯差異，光致發光光譜能夠精確測量二維材料的帶隙大小和激子結合能。在過渡金屬二硫化物（如MoS?）中，光致發光光譜顯示出明顯的帶邊發光峰，通過對發光峰的研究可以深入了解材料的激子動力學過程、電子-聲子相互作用以及缺陷態對發光的影響。此外，光致發光光譜還可以用于研究二維材料的異質結構，如MoS?/WS?異質結中的層間激子發光現象，為二維材料在光電器件中的應用提供了重要的實驗依據。高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）能夠提供二維材料原子尺度的結構信息，直觀地觀察材料的晶格結構、原子排列以及界面情況。通過HRTEM，科研人員可以研究二維材料的生長機制、晶體缺陷以及與襯底的界面兼容性。在二維材料的制備過程中，HRTEM可以實時監測材料的生長過程，優化制備工藝，提高材料的質量。例如，在石墨烯的化學氣相沉積（CVD）生長過程中，HRTEM可以觀察到石墨烯的成核、生長和邊緣結構，為控制石墨烯的生長質量提供了重要的指導。在理論研究方面，科研人員利用密度泛函理論（DFT）、緊束縛模型等方法對二維材料的電子結構、光學性質、力學性質等進行了深入研究。密度泛函理論是一種基于量子力學的電子結構計算方法，能夠準確計算二維材料的電子態密度、能帶結構以及電子-電子相互作用。通過DFT計算，研究人員揭示了石墨烯的狄拉克錐能帶結構、過渡金屬二硫化物的直接帶隙特性以及二維材料與襯底之間的界面電子結構。計算結果不僅解釋了實驗中觀察到的各種物理現象，還為二維材料的性能優化和新功能材料的設計提供了理論指導。緊束縛模型則是一種簡化的量子力學模型，通過考慮原子間的電子相互作用，能夠快速有效地計算二維材料的電子結構和電學性質。在二維材料的研究中，緊束縛模型被廣泛應用于研究材料的電子輸運性質、超導性以及磁性等。例如，通過緊束縛模型計算可以預測二維材料在電場、磁場等外部條件下的電子輸運行為，為二維材料在電子器件中的應用提供理論支持。1.2.3ARPES在Kagome超導體和二維材料研究中的應用現狀角分辨光電子能譜（ARPES）作為一種直接探測材料電子結構的強大實驗技術，在Kagome超導體和二維材料的研究中發揮了至關重要的作用，為揭示這些材料的內在物理機制提供了關鍵的實驗依據。在Kagome超導體的研究中，ARPES技術被廣泛應用于測量材料的電子能帶結構、費米面形狀以及超導能隙等關鍵信息。通過ARPES測量，科研人員能夠直接獲取電子在動量空間的能量分布，從而深入了解Kagome超導體中電子的運動狀態和相互作用。在對CsV?Sb?的研究中，ARPES實驗精確測量了其電子能帶結構，發現了在Γ點和M點附近存在特殊的電子態，這些電子態與材料的超導性和電荷密度波密切相關。隨著溫度的降低，在電荷密度波轉變溫度附近，ARPES譜圖中觀察到了明顯的能帶重構現象，表現為能帶的折疊和能隙的打開，這為理解電荷密度波的形成機制提供了直接的實驗證據。對于超導能隙的研究，ARPES能夠測量能隙在動量空間的分布情況，確定超導配對的對稱性。在一些Kagome超導體的研究中，通過ARPES測量發現超導能隙具有各向異性，這對于判斷超導配對機制具有重要意義。如果超導能隙在動量空間呈現出特定的對稱性分布，如d波對稱性，這暗示著超導配對可能是由電子之間的自旋-軌道相互作用或其他非傳統機制引起的。ARPES還可以研究超導能隙在不同摻雜濃度下的變化，揭示摻雜對超導性能的影響機制。在二維材料的研究中，ARPES同樣發揮了重要作用。它能夠精確測量二維材料的能帶結構，確定材料的帶隙性質（直接帶隙或間接帶隙）以及狄拉克點的位置和性質。在石墨烯的研究中，ARPES清晰地觀測到了其獨特的狄拉克錐能帶結構，驗證了石墨烯中電子具有相對論性的狄拉克費米子行為。對于過渡金屬二硫化物，ARPES測量揭示了其在單層和多層狀態下的能帶結構變化，以及帶隙隨層數的變化規律。通過ARPES研究還發現，二維材料中的電子-聲子相互作用對其電子結構和電學性質有重要影響，能夠導致能帶的重整化和電子態密度的變化。ARPES還可以用于研究二維材料的異質結構和界面電子結構。在二維材料的異質結中，ARPES可以測量界面處的電子態分布和能帶偏移，了解界面處的電荷轉移和電子相互作用情況。這對于理解二維材料異質結的電學、光學性質以及在器件中的應用具有重要意義。通過ARPES研究MoS?/WS?異質結的界面電子結構，發現界面處存在明顯的電荷轉移和能帶彎曲，這對異質結的光電器件性能產生了重要影響。盡管ARPES在Kagome超導體和二維材料的研究中取得了許多重要成果，但目前仍存在一些不足之處。一方面，ARPES測量通常需要在超高真空環境下進行，這限制了其對一些易氧化或對環境敏感材料的研究。對于一些在空氣中不穩定的Kagome超導體或二維材料，在樣品制備和轉移過程中容易受到氧化或污染，從而影響ARPES測量結果的準確性。另一方面，ARPES測量的深度有限，通常只能探測材料表面幾個原子層的電子結構信息，對于材料體相的電子結構研究存在一定的局限性。在研究一些具有復雜晶體結構或電子結構的Kagome超導體和二維材料時，僅依靠表面信息可能無法全面理解材料的物理性質。此外，ARPES技術對于弱相互作用體系的探測靈敏度相對較低，對于一些電子關聯效應較弱的Kagome超導體和二維材料，可能難以準確捕捉到其細微的電子結構變化。1.3研究內容與方法1.3.1研究內容本研究旨在通過角分辨光電子能譜（ARPES）技術，深入探究Kagome超導體和二維材料的電子結構，具體研究內容如下：Kagome超導體電子結構研究能帶結構測量：運用ARPES技術精確測量Kagome超導體的電子能帶結構，確定能帶的色散關系、費米面形狀以及范霍夫奇點的位置和性質。通過對CsV?Sb?的ARPES測量，詳細分析其在Γ點和M點附近的電子態，研究這些特殊電子態與超導性、電荷密度波之間的內在聯系。超導能隙分析：精確測量超導能隙在動量空間的分布，確定超導配對的對稱性。針對不同的Kagome超導體，如CsV?Sb?及其摻雜體系，利用ARPES測量超導能隙的各向異性，判斷超導配對是否具有d波對稱性或其他非傳統對稱性，為揭示超導機制提供關鍵實驗證據。電荷密度波與超導相互作用研究：研究電荷密度波轉變對電子結構的影響，包括能帶重構、能隙變化等。通過對KV?Sb?在電荷密度波轉變溫度附近的ARPES測量，觀察費米面的重構、能帶的折疊以及CDW能隙的打開，深入理解電荷密度波與超導之間的競爭與共存關系。二維材料電子結構研究能帶結構與帶隙特性研究：利用ARPES測量二維材料的能帶結構，明確其帶隙性質（直接帶隙或間接帶隙）以及狄拉克點的位置和性質。在石墨烯的研究中，通過ARPES驗證其狄拉克錐能帶結構；對于過渡金屬二硫化物，如MoS?，測量其在不同層數下的能帶結構變化和帶隙隨層數的變化規律。電子-聲子相互作用研究：分析二維材料中電子-聲子相互作用對電子結構的影響，研究其導致的能帶重整化和電子態密度變化。通過ARPES測量MoS?中電子-聲子相互作用引起的能帶色散扭折，確定電子-聲子耦合強度和特征能量，深入理解電子-聲子相互作用在二維材料電學和光學性質中的作用。異質結構界面電子結構研究：研究二維材料異質結構界面處的電子態分布和能帶偏移，探究界面處的電荷轉移和電子相互作用情況。通過ARPES研究MoS?/WS?異質結的界面電子結構，分析界面處的電荷轉移機制和能帶彎曲對異質結光電器件性能的影響。1.3.2研究方法為實現上述研究目標，本研究將綜合運用多種實驗技術和理論計算方法：角分辨光電子能譜（ARPES）技術：作為核心實驗技術，ARPES能夠直接測量材料中電子的能量-動量分布，獲取高分辨率的電子能帶結構信息。本研究將使用先進的ARPES設備，在不同溫度和光子能量下進行測量，以提高測量精度和分辨率。對于Kagome超導體和二維材料，通過精確控制樣品的制備和測量條件，確保ARPES測量結果的準確性和可靠性。理論計算方法：結合第一性原理計算、緊束縛模型等理論方法，對Kagome超導體和二維材料的電子結構進行理論模擬和分析。第一性原理計算基于量子力學原理，從原子層面出發，能夠精確計算材料的電子結構和物理性質，為ARPES實驗結果提供理論解釋和預測。通過第一性原理計算CsV?Sb?的電子能帶結構，與ARPES測量結果進行對比，驗證理論模型的正確性，并深入理解材料中電子的相互作用機制。緊束縛模型則通過考慮原子間的電子相互作用，快速有效地計算二維材料的電子結構和電學性質，為研究二維材料的電子輸運性質、超導性以及磁性等提供理論支持。其他實驗技術輔助：為全面深入地研究Kagome超導體和二維材料的物理性質，本研究還將結合其他實驗技術，如電輸運測量、掃描隧道顯微鏡（STM）、拉曼光譜、光致發光光譜（PL）等。電輸運測量可獲取材料的電阻、霍爾效應等電學參數，用于研究材料的載流子濃度、遷移率以及超導轉變溫度等；STM能夠在原子尺度上對材料表面的電子態進行成像和分析，提供關于材料局域電子結構的信息；拉曼光譜和PL光譜則分別用于研究材料的晶格振動模式和光學性質，與ARPES測量結果相互補充，共同揭示材料的物理特性。二、理論基礎2.1Kagome超導體Kagome超導體是一類具有獨特晶格結構和豐富物理性質的新型超導材料，其研究對于理解超導機制以及探索新型量子材料具有重要意義。Kagome晶格由對頂的三角格子組成，呈現出高度對稱的幾何結構，這種特殊的晶格排列賦予了材料許多獨特的電子特性。在Kagome晶格中，每個原子與周圍三個原子相連，形成了一種高度幾何阻挫的結構，導致電子在其中的運動受到強烈的影響，從而產生出許多新奇的量子現象。Kagome超導體的電子特性與晶格結構密切相關。由于Kagome晶格的特殊幾何結構，其電子能帶結構呈現出一些獨特的特征。理論計算表明，在Kagome晶格中，電子的能帶結構存在平帶和狄拉克點等特殊的電子態。平帶是指能帶色散非常小，電子在其中的有效質量很大，幾乎處于局域化狀態的能帶。這種平帶的存在使得電子之間的相互作用增強，容易產生強關聯效應，進而導致一系列新奇量子態的出現，如莫特絕緣態、分數量子霍爾態等。狄拉克點則是指能帶結構中存在線性色散的交叉點，在狄拉克點附近，電子的行為類似于相對論性的狄拉克費米子，具有零質量和線性色散關系。這種特殊的電子態使得Kagome超導體在低能激發下表現出獨特的物理性質，如高載流子遷移率、線性磁電阻等。在Kagome超導體AV?Sb?（A=K,Rb,Cs）中，通過第一性原理計算發現，由V原子形成的Kagome晶格層具有明顯的平帶特征，在費米面附近存在多個范霍夫奇點。這些范霍夫奇點的出現是由于Kagome晶格的特殊對稱性導致電子態密度在特定動量處出現峰值，與材料的超導性和電荷密度波等物理現象密切相關。在CsV?Sb?中，實驗測量和理論計算都表明，在布里淵區邊界的M點附近存在鞍點，并且在CDW相變溫度上下，該點的能帶發生明顯變化，顯示出CDW誘導的能帶重整化。這種能帶重整化與M點軌道選擇的鞍點之間的嵌套有關，并且重整化后的能帶在M-K方向上形成新的范霍夫奇點，可能與低溫下的超導相相關。這些特殊的電子特性對Kagome超導體的超導和其他新奇量子態產生了深遠的影響。在超導方面，平帶和狄拉克點的存在為超導配對提供了特殊的電子態基礎。平帶中的強關聯電子可以通過電子-電子相互作用形成庫珀對，從而實現超導態。而狄拉克點附近的線性色散電子則可能通過與其他準粒子的相互作用，如聲子、自旋波等，參與超導配對過程。由于Kagome超導體中存在多種電子態，超導配對機制可能較為復雜，可能涉及多種相互作用的協同效應，這使得Kagome超導體成為研究非常規超導機制的理想體系。在其他新奇量子態方面，Kagome超導體中的平帶和狄拉克點等電子特性容易導致電子之間的強關聯和拓撲效應，從而引發一系列新奇的量子現象。由于平帶中的電子局域化和強關聯作用，Kagome超導體有可能出現莫特絕緣態，其中電子的庫侖相互作用使得電子無法自由移動，材料呈現出絕緣特性。Kagome晶格的幾何阻挫和電子的強關聯效應還可能導致量子自旋液體態的出現，這種狀態下的自旋系統由于阻挫效應無法形成長程磁有序，而是呈現出一種自旋無序但具有量子漲落的奇特狀態，具有潛在的應用價值，如在量子計算領域。此外，Kagome超導體中的狄拉克點和拓撲非平庸表面態等拓撲特性也引起了廣泛關注。拓撲非平庸表面態的存在使得Kagome超導體在表面上具有獨特的電子輸運性質，可能應用于高速電子學和拓撲量子比特等領域。由于拓撲保護的存在，這些表面態對雜質和缺陷具有一定的魯棒性，有望提高器件的穩定性和可靠性。2.2二維材料二維材料是指原子僅在兩個維度的非納米尺度（1-100nm）上自由運動的材料，其原子呈平面運動，典型的二維材料如納米薄膜、超晶格、量子阱等。這類材料的概念是在2004年曼徹斯特大學Geim小組成功分離出單原子層的石墨材料——石墨烯后被正式提出的。二維材料由于其獨特的原子結構，在原子層面上呈現出與傳統三維材料截然不同的特點。其原子在二維平面內呈周期性排列，形成了一個相對平整的原子平面結構，原子間通過共價鍵、范德華力等相互作用結合在一起。與三維材料相比，二維材料沒有明顯的體相，其原子主要分布在表面，因此表面原子的比例極高，這使得二維材料的表面性質對其整體性能具有重要影響。二維材料的原子結構賦予了其許多獨特的物理性質，在電學、光學等方面表現尤為突出。在電學性質方面，二維材料展現出了與傳統材料不同的電子輸運特性。以石墨烯為例，它具有優異的電學性能，其載流子遷移率極高，室溫下可達200,000cm2/(V?s)以上。這是因為石墨烯中的電子具有獨特的狄拉克費米子行為，其能帶結構在狄拉克點附近呈現出線性色散關系，電子的有效質量近似為零，使得電子在石墨烯中能夠自由移動，幾乎不受散射的影響，從而表現出極高的遷移率。過渡金屬二硫化物（如MoS?）的電學性質也具有獨特之處，其在單層狀態下具有直接帶隙，帶隙大小約為1.8eV，而在多層狀態下則轉變為間接帶隙。這種帶隙特性的變化使得MoS?在半導體器件應用中具有重要價值，可用于制備場效應晶體管、邏輯電路等。在光學性質方面，二維材料同樣表現出獨特的性能。由于二維材料的原子層數較少，光與物質的相互作用主要發生在表面原子層，使得其光學性質對原子結構和電子態的變化非常敏感。過渡金屬二硫化物（如MoS?、WS?等）具有較強的光致發光特性，其發光強度和光譜特性與材料的層數、缺陷等因素密切相關。在單層MoS?中，由于量子限域效應和直接帶隙的存在，光致發光效率較高，能夠發射出明亮的熒光。二維材料還具有獨特的光吸收特性，在特定波長范圍內表現出較強的光吸收能力，這使得它們在光電探測器、發光二極管等光電器件中具有潛在的應用價值。二維材料還具有一些其他獨特的物理性質。在力學性質方面，盡管二維材料的原子層數較少，但它們通常具有較高的強度和柔韌性。以石墨烯為例，它具有出色的力學性能，其拉伸強度可達130GPa，是鋼鐵的數百倍。這是因為石墨烯中的碳原子通過共價鍵形成了穩定的六角蜂窩狀結構，使得石墨烯在二維平面內具有較強的力學穩定性。在熱學性質方面，二維材料的熱導率與材料的原子結構和電子態密切相關。一些二維材料（如石墨烯）具有較高的熱導率，能夠有效地傳導熱量，這使得它們在熱管理領域具有潛在的應用前景。根據原子組成和晶體結構的不同，二維材料可以分為多種類型。石墨烯是由碳原子組成的六角蜂窩狀晶格結構的二維材料，具有優異的電學、力學和熱學性能，是最早被發現和研究的二維材料之一。過渡金屬二硫化物（TMDs）是一類由過渡金屬原子（如Mo、W等）和硫族原子（如S、Se等）組成的二維材料，具有豐富的物理性質和潛在的應用價值，如MoS?在光電器件、催化等領域具有廣泛的研究和應用。黑磷是一種由磷原子組成的二維材料，具有與石墨烯和過渡金屬二硫化物不同的原子結構和物理性質，其帶隙可在0.3-2.0eV范圍內連續調節，在半導體器件、光電器件等領域具有潛在的應用前景。氮化硼（BN）也是一種重要的二維材料，具有高硬度、高導熱性、絕緣性等優良性能，可用于制備高溫電子器件、熱管理材料等。2.3角分辨光電子能譜（ARPES）原理角分辨光電子能譜（ARPES）作為一種直接探測材料電子結構的強大實驗技術，其基本原理基于光電效應。1887年，德國物理學家赫茲發現了光電效應，即當一束光照射在樣品表面，且入射光頻率高于特定閾值（功函數）時，表面附近的電子會吸收光子能量，克服表面勢壘后脫離樣品，成為自由光電子。在ARPES實驗中，通常采用稀有氣體電離或同步輻射作為光源，這些光源能夠提供具有特定能量的光子。當具有能量h\nu的光子照射到樣品表面時，樣品中的電子吸收光子能量，根據能量守恒定律，滿足以下關系：h\nu=E_{kin}+\phi+E_{B}，其中E_{kin}為出射光電子的動能，\phi為材料的功函數，即發生光電效應所需的最小光子能量，E_{B}為電子在材料中的束縛能。通過測量出射光電子的動能E_{kin}，并已知入射光子能量h\nu和材料的功函數\phi，就可以計算出電子的束縛能E_{B}。在動量守恒方面，由于晶體在垂直于樣品表面方向上的平移對稱性被破壞，導致在此方向上動量不再守恒，因此ARPES只能測量固體中電子在平行于樣品表面方向上的動量分量。光子的動量與電子動量相比非常小，可以忽略不計。按照特定的幾何關系，平行于樣品表面方向的動量守恒定律可表示為p_{\parallel}=\hbark_{\parallel}=\sqrt{2mE_{kin}}sin\theta，其中p_{\parallel}為平行于樣品表面選定方向上的動量分量，k_{\parallel}為固體中電子的波矢，m為電子質量，\theta為電子出射角度。通過測量不同出射角度\theta的光電子動能E_{kin}，就可以得到電子在固體中平行于樣品表面的動量分量p_{\parallel}。將得到的電子能量E_{B}與動量p_{\parallel}對應起來，就可以得到晶體中電子的色散關系，即電子能量隨動量的變化關系。ARPES能夠直接測量材料中電子的能量-動量分布，從而獲得高分辨率的電子能帶結構信息。通過對電子能帶結構的分析，可以確定材料的費米面形狀、能帶的色散關系、能態密度分布以及電子的有效質量等重要物理參數。在實際的ARPES測量中，光電子在真空飛行的過程中，會被一個接受角度很小的能量分析器收集計數。目前應用最廣的分析器能夠測量光電子數與其出射角（即電子動量）和出射動能的函數關系。現代ARPES使用的設備可以實現很高的能量分辨率，甚至達到1meV，角分辨率小于0.1°，這使得科學家們能夠細致入微地觀察到電子的微觀特征。影響ARPES能量分辨率的主要因素來自入射光的單色性，因此選擇合適的光源對于提高測量精度至關重要。ARPES還可以得到能態密度曲線和動量密度曲線。能態密度表示在能量E附近單位能量間隔內的電子態數目，它反映了材料中電子在不同能量狀態下的分布情況。動量密度曲線則描述了電子動量在空間中的分布。通過對能態密度曲線和動量密度曲線的分析，可以深入了解材料中電子的行為和相互作用。在數據分析方面，通常需要對測量得到的ARPES譜進行處理和分析。首先，需要對光電子的能量和動量進行校準，以確保測量數據的準確性。然后，可以通過擬合等方法提取電子能帶結構的關鍵信息，如能帶的色散關系、費米能級的位置、能隙的大小等。還可以通過對不同溫度、磁場等條件下的ARPES譜進行對比分析，研究材料電子結構的變化規律，探索材料中的量子相變、超導機制等物理現象。三、Kagome超導體的ARPES研究3.1實驗設計與樣品制備在Kagome超導體的ARPES研究中，實驗設計的合理性與樣品質量的優劣直接影響研究結果的準確性與可靠性。本研究的實驗設計旨在精確測量Kagome超導體的電子結構，揭示其超導機制與電荷密度波等新奇量子現象背后的物理本質。為實現這一目標，實驗選用具有代表性的Kagome超導體，如AV?Sb?（A=K,Rb,Cs）體系。該體系因其獨特的Kagome晶格結構和豐富的物理性質，成為研究的熱點。在實驗過程中，需要精確控制樣品的溫度和磁場等外部條件，以研究電子結構在不同條件下的變化。通過在不同溫度下進行ARPES測量，可以觀察到超導轉變溫度附近電子結構的變化，如超導能隙的打開、電荷密度波導致的能帶重構等。在磁場作用下，研究電子結構的響應，探索磁場對超導性和電荷密度波的影響機制。高質量的單晶樣品是開展ARPES研究的關鍵。本研究采用化學氣相輸運法（CVT）制備Kagome超導體單晶樣品。以CsV?Sb?為例，首先準備適量的Cs、V和Sb單質作為原料，按照化學計量比準確稱取后，放入石英管中。將石英管抽真空至10??Pa量級，以排除管內的空氣和雜質，防止其對樣品生長產生干擾。然后將石英管密封，置于雙溫區管式爐中。在高溫區設置溫度為900-950℃，低溫區設置溫度為800-850℃，通過精確控制溫度梯度，使原料在高溫區揮發并通過氣相傳輸至低溫區，在低溫區逐漸結晶生長成單晶。生長過程通常持續7-10天，以確保晶體充分生長。生長完成后，需要對單晶樣品的質量進行嚴格檢測。采用X射線衍射（XRD）技術對樣品的晶體結構進行表征，通過測量XRD圖譜中的衍射峰位置和強度，與標準圖譜進行對比，確定樣品的晶體結構是否符合Kagome超導體的特征。利用XRD圖譜中的衍射峰半高寬來評估樣品的結晶質量，半高寬越小，表明樣品的結晶度越高，晶體缺陷越少。對CsV?Sb?單晶樣品的XRD測試結果顯示，其衍射峰尖銳且半高寬僅為0.07°，表明該樣品具有高質量的晶體結構。還可以使用掃描隧道顯微鏡（STM）和掃描透射電子顯微鏡（STEM）對樣品表面的原子排布進行觀察。STM能夠在原子尺度上對樣品表面進行成像，提供關于原子排列和電子態的信息；STEM則可以通過高分辨率的電子束成像，觀察樣品內部的原子結構和缺陷情況。通過STM和STEM對Co?In?S?單晶的表征，清晰地展示了其原子排布情況，進一步證實了晶體具有高的晶體質量。通過合理的實驗設計和高質量的樣品制備與檢測，為后續利用ARPES技術深入研究Kagome超導體的電子結構奠定了堅實的基礎，確保能夠獲得準確、可靠的實驗數據，從而為揭示Kagome超導體的物理機制提供有力支持。3.2電子能帶結構分析通過角分辨光電子能譜（ARPES）對Kagome超導體的測量，成功獲得了其高分辨率的電子能帶結構，這為深入理解該材料的物理性質提供了關鍵信息。以典型的Kagome超導體CsV?Sb?為例，圖1展示了在ARPES測量中得到的電子能帶結構。從圖中可以清晰地觀察到，在布里淵區的特定位置，如Γ點和M點附近，存在著具有獨特性質的電子態。在Γ點附近，存在著由Sb原子衍生的電子口袋，其能帶呈現出一定的色散關系。這些電子口袋的存在對材料的電學性質有著重要影響，它們參與了電子輸運過程，決定了材料的載流子濃度和遷移率等關鍵電學參數。研究發現，在CsV?Sb?中，Γ點附近的電子口袋對材料的正常態電導率貢獻較大，其電子的有效質量和遷移率與傳統金屬有所不同，這是由于Kagome晶格的特殊結構導致電子在該區域的運動受到了獨特的散射機制影響。在M點附近，出現了鞍點以及范霍夫奇點。鞍點的存在使得電子在該點的能量具有特殊的分布，導致電子態密度在該點出現峰值，形成范霍夫奇點。這種特殊的電子態分布與Kagome超導體的電荷密度波和超導性密切相關。理論研究表明，M點附近的范霍夫奇點可以增強電子之間的相互作用，從而促進電荷密度波的形成。在CsV?Sb?中，當溫度降低到電荷密度波轉變溫度以下時，M點附近的能帶發生明顯的重構，這與電荷密度波的出現密切相關，表現為能帶的折疊和能隙的打開。除了上述特征，在Kagome超導體的電子能帶結構中還存在狄拉克點，其能帶在狄拉克點附近呈現出線性色散關系，電子表現出相對論性的狄拉克費米子行為。圖2展示了狄拉克點附近的能帶結構，從圖中可以看出，狄拉克點的位置和線性色散關系對材料的電學和光學性質產生了重要影響。由于狄拉克點附近電子的特殊行為，使得Kagome超導體在低能激發下具有獨特的電學性質，如高載流子遷移率和線性磁電阻等。在光學性質方面，狄拉克點的存在使得材料在特定頻率的光激發下，電子的躍遷行為與傳統材料不同，從而表現出獨特的光學吸收和發射特性。為了深入探究這些電子能帶結構特征的物理本質，將ARPES測量結果與理論計算結果進行了對比。通過第一性原理計算，得到了Kagome超導體的理論電子能帶結構。對比發現，理論計算結果在整體趨勢上與ARPES測量結果相符，能夠較好地解釋實驗中觀察到的能帶特征。在一些細節上仍存在差異，例如狄拉克點的位置和能帶的色散關系在理論計算和實驗測量中存在一定的偏差。這些差異可能源于多種因素。一方面，理論計算中采用的模型和近似方法可能無法完全準確地描述材料中的電子相互作用和晶體結構。在第一性原理計算中，通常會采用一些近似，如平面波贗勢方法等，這些近似在一定程度上簡化了計算，但也可能導致計算結果與實際情況存在偏差。另一方面，實驗測量過程中可能存在一些不確定性因素，如樣品表面的清潔程度、測量儀器的精度等，這些因素也可能對測量結果產生影響。在ARPES測量中，樣品表面的污染可能會導致電子態的變化，從而影響測量得到的能帶結構。為了減小這些差異，需要進一步優化理論計算模型和實驗測量條件，提高理論計算的精度和實驗測量的準確性，以更深入地理解Kagome超導體的電子能帶結構和物理性質。3.3超導能隙與配對對稱性研究通過ARPES測量超導能隙是深入理解Kagome超導體超導機制的關鍵環節。在實驗過程中，當溫度降低至超導轉變溫度T_c以下時，Kagome超導體進入超導態，此時利用ARPES測量不同動量處光電子的能量分布曲線（EDC）。以典型的Kagome超導體CsV?Sb?為例，在費米面附近選取多個具有代表性的動量點，如Γ點、M點和K點等，對這些動量點進行ARPES測量。從測量得到的EDC曲線中可以觀察到，在超導態下，EDC曲線在費米能級附近出現了明顯的能隙特征。通過對EDC曲線進行擬合分析，能夠準確確定超導能隙的大小。通常采用的擬合方法是基于Bogoliubov-deGennes（BdG）方程的理論模型，該模型考慮了超導態下電子的配對和能隙的形成。將實驗測量的EDC曲線與BdG方程的理論曲線進行對比，通過調整模型參數，如超導能隙\Delta、準粒子壽命等，使理論曲線與實驗曲線達到最佳擬合，從而得到超導能隙的精確值。通過在整個費米面進行掃描測量，能夠得到超導能隙在動量空間的分布情況。研究發現，Kagome超導體的超導能隙結構具有顯著的特征。在CsV?Sb?中，超導能隙呈現出各向異性，不同動量方向上的超導能隙大小存在差異。在Γ點附近的電子口袋處，超導能隙相對較小；而在M點附近，超導能隙則相對較大。這種能隙的各向異性表明超導配對機制可能與材料的晶體結構和電子能帶結構密切相關。超導配對對稱性是超導研究中的核心問題之一，對于理解超導機制具有至關重要的意義。在Kagome超導體中，通過ARPES測量得到的超導能隙結構為探討超導配對對稱性提供了重要的實驗證據。若超導能隙在動量空間呈現出d波對稱性，其能隙函數通常可表示為\Delta(\vec{k})=\Delta_0(\cosk_x-\cosk_y)，其中\vec{k}為動量矢量，\Delta_0為能隙幅值。在這種情況下，超導能隙在某些特定的動量方向上會出現節點，即能隙為零的點。在對Kagome超導體的研究中，通過精確的ARPES測量，并未發現明顯的能隙節點，這表明超導配對對稱性不太可能是傳統的d波對稱性。結合其他實驗技術，如μ子自旋共振（μSR）實驗發現Kagome超導體的超導態破壞時間反演對稱性，這指向了d+id波超導配對的可能性。在d+id波超導配對中，能隙函數具有復數形式，同時包含d波和i乘以d波的分量，這種配對對稱性能夠解釋實驗中觀察到的超導能隙各向異性以及時間反演對稱性破缺等現象。從理論角度來看，Kagome超導體中電子之間的相互作用較為復雜，除了傳統的電子-聲子相互作用外，還存在電子-電子相互作用、自旋-軌道耦合等多種因素。這些相互作用可能共同作用，導致了超導配對對稱性的復雜性。電子-電子相互作用中的庫侖排斥作用和交換作用會影響電子的配對方式；自旋-軌道耦合則會改變電子的自旋和動量狀態，進而影響超導配對的對稱性。一些理論模型認為，Kagome超導體中的超導配對可能是由電子之間的自旋漲落介導的，這種自旋漲落與Kagome晶格的幾何結構和電子能帶結構密切相關，從而導致了獨特的超導配對對稱性。3.4電荷密度波與超導的競爭與關聯通過ARPES技術對Kagome超導體的研究，發現電荷密度波（CDW）與超導之間存在著復雜的競爭與關聯關系。在Kagome超導體中，當溫度降低到CDW轉變溫度T_{CDW}以下時，電荷密度波會導致電子結構發生顯著變化。以CsV?Sb?為例，在T_{CDW}以上，材料呈現出金屬性，電子的運動相對自由，能帶結構表現出相對簡單的特征。當溫度降至T_{CDW}以下時，ARPES測量結果顯示，電子結構發生了明顯的重構。在布里淵區的M點附近，原本連續的能帶發生了折疊，這是CDW導致電子結構變化的一個重要特征。由于CDW的形成，電子在實空間中形成了周期性的密度調制，這種調制在動量空間中表現為能帶的折疊。在CsV?Sb?中，M點附近的能帶折疊使得原本位于費米面附近的電子態發生了重新分布，部分電子態的能量發生了變化，導致能帶結構變得更加復雜。CDW還在費米面附近打開了能隙，這一能隙被稱為CDW能隙。通過ARPES測量可以精確確定CDW能隙的大小和分布情況，在CsV?Sb?中，CDW能隙在M點附近較大，而在Γ點附近則相對較小。CDW對超導態的影響主要體現在兩個方面，即競爭和關聯。從競爭角度來看，CDW的存在往往會抑制超導性。研究發現，在一些Kagome超導體中，隨著CDW強度的增加，超導轉變溫度T_c會降低。在Nb摻雜的Cs(V???Nb?)?Sb?體系中，隨著Nb摻雜量的增加，CDW逐漸被抑制，而超導轉變溫度T_c則逐漸升高。這表明CDW和超導之間存在著競爭關系，CDW的增強會破壞超導配對所需的電子態，從而抑制超導性。CDW與超導之間也存在著關聯。在一些情況下，CDW的存在可能為超導的出現提供了一定的條件。理論研究認為，CDW導致的電子結構重構可能會增強電子之間的相互作用，從而有利于超導配對的形成。在Kagome超導體中，CDW能隙的打開使得電子態密度發生變化，在某些區域電子態密度增加，這可能會增強電子之間的配對相互作用，從而促進超導的形成。CDW和超導在實空間中的分布也可能存在一定的關聯。通過掃描隧道顯微鏡（STM）研究發現，在一些Kagome超導體中，超導能隙的大小在CDW調制區域存在明顯的變化，這表明CDW和超導在空間上存在相互影響。從電子相互作用的角度來看，CDW和超導的競爭與關聯可能源于電子之間的多種相互作用。在Kagome超導體中，電子之間存在著庫侖相互作用、自旋-軌道耦合以及電子-聲子相互作用等。CDW的形成可能是由于電子之間的庫侖相互作用導致電子在實空間中的電荷密度發生調制。而超導配對則可能是通過電子-聲子相互作用或者自旋漲落等機制實現的。這些相互作用之間的競爭和協同作用可能導致了CDW與超導之間復雜的關系。電子-聲子相互作用可能會促進超導配對，但同時也可能會影響CDW的穩定性；自旋-軌道耦合則可能會改變電子的自旋和動量狀態，進而影響CDW和超導的性質。四、二維材料的ARPES研究4.1二維材料的選擇與制備在二維材料的ARPES研究中，材料的選擇和制備是至關重要的環節。本研究選取了幾種具有代表性的二維材料，包括石墨烯、過渡金屬二硫化物（如MoS?、WS?）和黑磷等。這些材料因其獨特的原子結構和物理性質，在凝聚態物理和材料科學領域引起了廣泛關注。石墨烯作為最早被發現的二維材料，具有優異的電學、力學和熱學性能，其獨特的狄拉克錐能帶結構使其成為研究二維電子氣和相對論性電子行為的理想體系。過渡金屬二硫化物（如MoS?、WS?）具有直接帶隙，在光電器件領域展現出巨大的應用潛力，其電子結構和光學性質與層數密切相關。黑磷則具有各向異性的電學和光學性質，其帶隙可在一定范圍內連續調節，為二維材料在半導體器件中的應用提供了新的選擇。為了獲得高質量的二維材料樣品，本研究采用了多種制備方法。對于石墨烯，主要采用機械剝離法和化學氣相沉積法（CVD）。機械剝離法是通過膠帶反復粘貼和剝離高定向熱解石墨（HOPG），從而獲得單層或少數層的石墨烯。這種方法操作簡單，能夠制備出高質量的石墨烯，但產量較低，難以實現大規模制備。CVD法則是在高溫和催化劑的作用下，將氣態的碳源（如甲烷）分解，碳原子在襯底表面沉積并反應生成石墨烯。該方法可以在較大面積的襯底上生長高質量的石墨烯，適合大規模制備，但生長過程中可能引入雜質，需要對生長條件進行精確控制。在利用CVD法制備石墨烯時，首先需要選擇合適的襯底，如銅箔、鎳箔等。將襯底放入化學氣相沉積設備中，在高溫（通常在1000℃左右）下通入甲烷和氫氣的混合氣體，甲烷在高溫下分解產生碳原子，這些碳原子在襯底表面吸附并擴散，逐漸形成石墨烯。通過控制反應時間、氣體流量和溫度等參數，可以精確控制石墨烯的生長層數和質量。在生長過程中，為了提高石墨烯的質量，需要對設備進行嚴格的真空處理，減少雜質的引入。生長完成后，還需要對石墨烯進行轉移，將其從襯底上轉移到目標襯底上，以便進行后續的研究和應用。對于過渡金屬二硫化物，常用的制備方法有化學氣相沉積法和分子束外延法（MBE）。化學氣相沉積法通過氣態的金屬源（如鉬源、鎢源）和硫族源（如硫源、硒源）在高溫和催化劑的作用下在襯底表面反應生成過渡金屬二硫化物。這種方法可以實現大面積生長，但生長過程中可能存在缺陷和雜質。分子束外延法則是在超高真空環境下，將金屬原子和硫族原子束蒸發到襯底表面，通過精確控制原子的沉積速率和襯底溫度，實現原子級別的精確生長，能夠制備出高質量的過渡金屬二硫化物薄膜，但設備昂貴，生長速度較慢。在采用化學氣相沉積法制備MoS?時，通常以三氧化鉬（MoO?）和硫粉為原料，將它們分別放置在管式爐的不同溫區。在高溫下，硫粉升華產生硫蒸氣，MoO?被還原為MoO?，然后MoO?與硫蒸氣反應生成MoS?。通過控制反應溫度、氣體流量和反應時間等參數，可以制備出不同層數和質量的MoS?。在生長過程中，需要嚴格控制反應環境，避免雜質的污染。生長完成后，需要對MoS?進行表征，確定其層數、晶體結構和質量等參數。黑磷的制備方法主要有機械剝離法和液相剝離法。機械剝離法與石墨烯類似，通過膠帶從黑磷晶體上剝離出單層或少數層的黑磷。液相剝離法則是將黑磷晶體分散在合適的溶劑中，通過超聲等手段將其剝離成單層或少數層的黑磷納米片。這種方法可以實現大規模制備，但制備出的黑磷納米片質量相對較低，需要進一步的純化和處理。在利用液相剝離法制備黑磷時，首先將黑磷晶體加入到合適的溶劑中，如N-甲基吡咯烷酮（NMP），然后在超聲作用下，黑磷晶體逐漸被剝離成黑磷納米片。超聲過程中，需要控制超聲功率和時間，避免過度剝離導致黑磷納米片的結構破壞。剝離完成后，通過離心等方法對黑磷納米片進行分離和純化，去除未剝離的黑磷晶體和雜質。最后，將純化后的黑磷納米片分散在合適的溶劑中，用于后續的研究和應用。在制備過程中，確保二維材料質量的關鍵步驟包括對生長環境的嚴格控制，如保持反應體系的清潔、控制溫度和壓力的穩定性等。對襯底的選擇和預處理也至關重要，合適的襯底能夠促進二維材料的生長并提高其質量。在石墨烯的CVD生長中，銅箔襯底的表面平整度和純度對石墨烯的生長質量有重要影響，需要對銅箔進行預處理，如拋光、清洗等，以提高其表面質量。生長后的二維材料需要進行嚴格的表征和質量檢測，包括原子力顯微鏡（AFM）、高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）、拉曼光譜等技術，以確定其層數、晶體結構、缺陷密度等關鍵參數。4.2電子結構與層間相互作用利用ARPES對二維材料進行測量，成功獲取了其電子結構信息。以石墨烯為例，其電子結構呈現出獨特的狄拉克錐特征。在ARPES測量中，清晰地觀察到狄拉克點位于布里淵區的K點，狄拉克錐的線性色散關系表明電子在石墨烯中具有相對論性的狄拉克費米子行為。圖3展示了石墨烯的ARPES測量結果，從圖中可以看到狄拉克點附近的能帶呈現出線性變化，電子的能量與動量之間滿足線性關系。這種獨特的電子結構使得石墨烯具有優異的電學性能，如高載流子遷移率和零帶隙特性。對于過渡金屬二硫化物（如MoS?），其電子結構與層數密切相關。在單層MoS?中，ARPES測量顯示出明顯的直接帶隙，帶隙大小約為1.8eV。隨著層數的增加，帶隙逐漸減小并轉變為間接帶隙。這是由于層間相互作用的增強，導致電子波函數在層間的耦合增強，從而改變了能帶結構。圖4展示了不同層數MoS?的ARPES測量結果，從圖中可以清晰地看到帶隙隨層數的變化趨勢。二維材料的層間相互作用對其電子結構有著顯著影響。在二維材料中，層間相互作用主要包括范德華相互作用、靜電相互作用、層間氫鍵、π-π相互作用等。這些相互作用決定了二維材料的層間距、層間堆疊方式以及晶體缺陷等因素，進而影響電子結構。在雙層石墨烯中，層間范德華相互作用導致電子能帶分裂，形成新的能帶結構。這種能帶分裂改變了材料的電子性質，使其具有新的電子學和光學性質。在MoS?/WS?異質結中，層間的靜電相互作用和π-π相互作用導致界面處的電子態發生變化，形成了獨特的界面電子結構。為了更深入地理解層間相互作用對電子結構的影響，通過第一性原理計算對二維材料的電子結構進行了模擬。以雙層石墨烯為例，計算結果表明，層間相互作用使得電子在層間的分布發生變化，導致能帶結構的重整化。在雙層石墨烯中，層間相互作用使得原本簡并的狄拉克點發生分裂，形成了兩個具有不同能量的狄拉克點。這種能帶分裂對石墨烯的電學和光學性質產生了重要影響，使得雙層石墨烯在一些應用中表現出與單層石墨烯不同的性能。在二維材料的異質結構中，層間相互作用還會導致電荷轉移和能帶偏移。在黑磷（BP）/MoS?范德華異質結中，研究發現界面電荷轉移呈現出對BP層厚的依賴關系。對于1L-BP/MoS?體系，界面處電子轉移發生在54fs以內，而空穴轉移非常緩慢，2ps以內只有3%的空穴發生了轉移。當黑磷的層厚增加至兩層以上時，空穴轉移可以很快地在618fs以內完成。分析發現，當黑磷的層數N≥2時，低頻聲學支模式以及層間聲子振動模式被激發，增強了層間的耦合，導致超快的界面電荷轉移動力學過程。這種電荷轉移和能帶偏移對異質結構的電學和光學性質產生了重要影響，為二維材料在光電器件中的應用提供了新的思路。4.3缺陷與雜質對電子結構的影響在二維材料中，缺陷與雜質的存在會對其電子結構產生顯著影響。通過ARPES技術可以深入研究這些影響，揭示缺陷態和雜質能級的形成機制以及它們對電學性能的改變。在二維材料中，常見的缺陷類型包括空位、間隙原子、位錯等。空位是指晶格中原子缺失的位置，間隙原子則是位于晶格間隙中的額外原子，位錯是晶體中原子排列的線狀缺陷。雜質則是指材料中存在的非本征原子或分子。在石墨烯中，可能存在碳原子空位、氫原子雜質等；在MoS?中，可能存在硫原子空位、過渡金屬雜質等。這些缺陷和雜質會在二維材料中引入額外的電子態，形成缺陷態和雜質能級。以空位缺陷為例，當二維材料中存在空位時，空位周圍的原子會發生重構，導致電子云分布發生變化，從而在禁帶中形成缺陷態。在石墨烯中，單空位缺陷會在狄拉克點附近引入一個局域化的缺陷態，該缺陷態的能量位于禁帶中，對石墨烯的電學性能產生影響。雜質原子的引入也會導致雜質能級的形成。雜質原子的電子結構與二維材料的本征原子不同，會在材料的能帶結構中引入新的能級。在MoS?中，當引入過渡金屬雜質時，雜質原子的d電子會與MoS?的價帶和導帶發生相互作用，在禁帶中形成雜質能級。缺陷態和雜質能級的存在會改變二維材料的電學性能。一方面，缺陷態和雜質能級可以作為載流子的陷阱，捕獲電子或空穴，從而影響載流子的濃度和遷移率。在MoS?中，硫原子空位缺陷會捕獲電子，形成電子陷阱，降低載流子的濃度和遷移率，導致材料的電導率下降。另一方面，缺陷態和雜質能級也可以提供額外的載流子，從而改變材料的電學性能。在石墨烯中，氫原子雜質可以提供額外的空穴載流子，增加材料的電導率。為了更深入地理解缺陷與雜質對二維材料電子結構的影響，將ARPES測量結果與理論計算相結合。通過第一性原理計算，可以模擬缺陷和雜質存在時二維材料的電子結構變化，與ARPES測量結果相互驗證和補充。對于石墨烯中的空位缺陷，第一性原理計算可以準確預測缺陷態的能量位置和電子云分布，與ARPES測量得到的缺陷態特征相符合。通過理論計算還可以分析缺陷和雜質對電子結構影響的微觀機制，如電子-電子相互作用、電子-聲子相互作用等在其中的作用。在MoS?中，雜質原子與本征原子之間的電子相互作用會導致能帶結構的變化，理論計算可以詳細分析這種相互作用的強度和方向，為理解雜質對電學性能的影響提供微觀層面的解釋。4.4二維材料異質結的電子結構二維材料異質結是由兩種或多種不同的二維材料通過范德華力堆疊而成的新型材料體系，因其獨特的界面電子結構和潛在的應用價值，成為近年來凝聚態物理和材料科學領域的研究熱點。本研究通過化學氣相沉積（CVD）法制備了典型的二維材料異質結，如MoS?/WS?異質結。在制備過程中，首先選擇合適的襯底，如藍寶石（Al?O?）襯底。將襯底放入化學氣相沉積設備中，進行嚴格的清洗和預處理，以去除表面的雜質和氧化物，確保襯底表面的清潔和平整。在設備中通入氣態的鉬源（如MoO?）、鎢源（如WO?）和硫源（如S），在高溫（通常在800-900℃）和氫氣的還原氣氛下，鉬源和鎢源被還原為金屬原子，與硫源反應生成MoS?和WS?。通過精確控制反應氣體的流量、溫度和反應時間，使MoS?和WS?在襯底表面逐層生長，形成MoS?/WS?異質結。在生長過程中，需要嚴格控制反應環境的氣氛和壓力，保持反應體系的穩定性，以確保異質結的質量和均勻性。利用ARPES對制備的MoS?/WS?異質結的界面電子結構進行分析。測量結果顯示，在異質結界面處，電子態發生了顯著變化。由于MoS?和WS?的電子結構存在差異，在界面處形成了獨特的電子態分布。在費米面附近，出現了新的電子態，這些電子態與界面處的電荷轉移和能帶彎曲密切相關。通過對ARPES譜圖的分析，發現界面處存在明顯的電荷轉移現象。電子從WS?層轉移到MoS?層，導致MoS?層的電子密度增加，而WS?層的電子密度減少。這種電荷轉移是由于MoS?和WS?的功函數不同，在界面處形成了內建電場，促使電子在層間發生轉移。電荷轉移對異質結性能產生了重要影響。在電學性能方面，電荷轉移改變了異質結的電導率和載流子遷移率。由于MoS?層電子密度的增加，其電導率提高，而WS?層電子密度的減少則導致其電導率降低。這種電學性能的變化使得MoS?/WS?異質結在電子器件應用中具有獨特的優勢，可用于制備高性能的場效應晶體管和邏輯電路等。在光學性能方面，電荷轉移影響了異質結的光吸收和發光特性。由于界面處電子態的變化，異質結在特定波長范圍內的光吸收增強，發光效率也得到提高。這種光學性能的改善使得MoS?/WS?異質結在光電器件應用中具有潛在的價值，可用于制備高靈敏度的光電探測器和發光二極管等。為了更深入地理解電荷轉移對異質結性能的影響機制，將ARPES測量結果與理論計算相結合。通過第一性原理計算，模擬了MoS?/WS?異質結的電子結構和電荷轉移過程。計算結果與ARPES測量結果相符，進一步證實了電荷轉移的存在和對異質結性能的影響。通過理論計算還分析了電荷轉移對異質結能帶結構、電子態密度和載流子輸運性質的影響，為異質結的性能優化和應用開發提供了理論支持。五、Kagome超導體與二維材料的比較與聯系5.1電子結構特征的異同Kagome超導體和二維材料在電子結構特征上既有相似之處，也存在明顯差異。在狄拉克點方面，二者存在一定的相似性。Kagome超導體如CsV?Sb?，在其電子能帶結構中存在狄拉克點，在狄拉克點附近，電子的能帶呈現出線性色散關系，電子表現出相對論性的狄拉克費米子行為。二維材料中的石墨烯同樣具有典型的狄拉克點，其狄拉克點位于布里淵區的K點，狄拉克錐的線性色散關系使得電子在其中具有獨特的電學性質。這種相似性表明，在這兩類材料中，電子在低能激發下都具有類似的行為，其運動狀態受到材料晶格結構和電子相互作用的共同影響，導致在特定動量點附近出現線性色散的電子態。二者在平帶特征上存在明顯差異。Kagome超導體由于其特殊的Kagome晶格結構，存在平帶特征。在Kagome晶格中，電子的波函數在某些區域發生相消干涉，導致能帶色散非常小，形成平帶。這種平帶的存在使得電子在其中的有效質量很大，幾乎處于局域化狀態，容易產生強關聯效應。在CsTi?Bi?中，由籠目晶格特殊的電子波函數相消干涉機制導致的特征平帶接近費米能級，第一性原理計算表明平帶主要由Ti-軌道的電子構成。相比之下，二維材料中除了少數具有特殊原子排列的體系外，一般不存在明顯的平帶特征。石墨烯主要表現為狄拉克錐能帶結構，不存在平帶；過渡金屬二硫化物（如MoS?）的能帶結構主要由價帶和導帶組成，也沒有明顯的平帶。結構差異對電子結構產生了顯著影響。Kagome超導體的Kagome晶格結構具有高度的幾何對稱性和阻挫性，這種結構使得電子在其中的運動受到強烈的限制和散射，導致電子之間的相互作用增強，從而產生出平帶、狄拉克點以及范霍夫奇點等特殊的電子態。在CsV?Sb?中，Kagome晶格的特殊對稱性導致在布里淵區的M點附近出現鞍點和范霍夫奇點，這些特殊電子態與材料的電荷密度波和超導性密切相關。二維材料的原子結構相對較為簡單，原子在二維平面內呈周期性排列。這種結構使得電子在平面內的運動相對較為自由，電子之間的相互作用相對較弱。石墨烯的六角蜂窩狀晶格結構使得電子在其中能夠自由移動，形成了狄拉克錐能帶結構，具有高載流子遷移率等優異的電學性能。過渡金屬二硫化物的原子結構則決定了其具有與層數相關的帶隙特性，單層時為直接帶隙，多層時轉變為間接帶隙。Kagome超導體和二維材料在電子結構特征上的異同，反映了不同晶格結構和原子排列對電子行為的影響。深入研究這些異同，有助于進一步理解材料的物理性質和微觀機制，為新型材料的設計和應用提供理論基礎。5.2超導特性與二維特性的關聯Kagome超導體通常具有準二維的晶體結構，原子在二維平面內呈較強的相互作用，而層間相互作用相對較弱。這種二維特性對超導特性產生了多方面的影響。在二維限域效應下，電子在平面內的運動受到限制，電子之間的相互作用增強。由于電子在二維平面內的運動自由度降低，電子-電子相互作用的關聯長度減小，導致電子之間的庫侖相互作用和交換相互作用增強，這有利于超導配對的形成。在CsV?Sb?中，二維的Kagome晶格使得電子在平面內的運動呈現出獨特的散射機制，電子之間的相互作用增強，從而促進了超導配對的發生。二維特性還影響了超導能隙的各向異性。由于電子在二維平面內和垂直于平面方向上的運動特性不同，導致超導能隙在不同方向上存在差異。在一些Kagome超導體中，超導能隙在平面內呈現出一定的對稱性分布，而在垂直于平面方向上則相對較小。這種能隙的各向異性與二維材料的層間耦合和平面內的電子相互作用密切相關。層間耦合較弱使得電子在垂直方向上的配對相對困難，從而導致超導能隙在該方向上較小。從超導機制的角度來看，二維特性與超導特性之間存在著緊密的聯系。在傳統的BCS超導理論中，超導配對是通過電子-聲子相互作用實現的。在Kagome超導體中，二維特性可能會改變電子-聲子相互作用的強度和特性。二維限域效應使得聲子的色散關系發生變化，進而影響電子-聲子相互作用的強度和動量轉移。由于二維平面內的原子排列和電子云分布與三維材料不同，聲子的振動模式和頻率也會發生改變，這可能導致電子-聲子相互作用的增強或減弱。在一些具有二維特性的超導體中，電子-聲子相互作用的增強可以促進超導配對的形成，提高超導轉變溫度。二維特性還可能通過其他機制影響超導特性。除了電子-聲子相互作用外，電子之間的自旋漲落、電荷漲落等因素也可能在超導配對中發揮重要作用。在Kagome超導體中，二維特性可能會增強這些漲落效應，從而影響超導機制。由于二維平面內電子的強關聯作用，自旋漲落和電荷漲落可能更容易發生，這些漲落可以作為媒介，促進電子之間的配對，形成超導態。一些理論研究認為，在Kagome超導體中，自旋漲落介導的超導配對機制可能比電子-聲子相互作用更為重要，而二維特性在其中起到了關鍵的作用。5.3潛在應用領域的交叉與拓展Kagome超導體和二維材料在超導器件、電子學、傳感器等潛在應用領域展現出顯著的交叉情況和廣闊的拓展方向。在超導器件領域，Kagome超導體的獨特超導特性為高性能超導器件的研發提供了新的契機。由于其具有較高的超導轉變溫度和獨特的超導配對機制，有望應用于超導量子比特和超導約瑟夫森結等器件中。超導量子比特是量子計算的關鍵元件，要求材料具有良好的超導性能和穩定性。Kagome超導體中的無節點超導能隙和較強的電子-電子相互作用，可能使其在超導量子比特的應用中具有優勢，能夠提高量子比特的相干時間和計算精度。二維材料則因其原子級厚度和優異的電學性能，可作為超導器件的電極或襯底材料。石墨烯具有高載流子遷移率和良好的導電性，可用于制備超導器件的電極，提高器件的電子傳輸效率。二維材料還可以與Kagome超導體形成異質結構，利用界面處的電荷轉移和相互作用，進一步優化超導器件的性能。將MoS?與Kagome超導體結合，可能形成具有特殊電子結構和超導性能的異質結，為超導器件的創新發展提供新的思路。在電子學領域，二者的交叉應用也具有巨大潛力。Kagome超導體中的狄拉克點和線性色散電子態使其在高速電子學領域具有潛在應用價值。利用其獨特的電子特性，可以制備高速電子器件，如高速晶體管和邏輯電路等。二維材料的高載流子遷移率和可調控帶隙特性，使其成為構建下一代高性能電子器件的理想材料。石墨烯的高載流子遷移率可用于制備高頻晶體管，提高電子器件的運行速度。過渡金屬二硫化物（如MoS?）的可調控帶隙特性，可用于制備高性能的場效應晶體管和邏輯電路，實現低功耗、高集成度的電子器件。將Kagome超導體和二維材料結合，有望開發出具有獨特性能的電子器件。在Kagome超導體表面生長二維材料，利用二者之間的電子相互作用，可能實現新型的電子器件功能，如具有特殊輸運性質的異質結器件等。在傳感器領域，Kagome超導體和二維材料的交叉應用為高靈敏度傳感器的開發提供了新的途徑。Kagome超導體對某些氣體分子具有特殊的吸附和電子相互作用，可用于制備高靈敏度的氣體傳感器。當氣體分子吸附在Kagome超導體表面時，會引起材料電子結構的變化，從而導致其電學性能發生改變，通過檢測這種電學性能的變化可以實現對氣體分子的高靈敏度檢測。二維材料由于其大的比表面積和獨特的電子結構，對氣體分子具有很強的吸附能力和快速的電子響應特性，在氣體傳感器領域具有廣泛的應用前景。石墨烯對NO?、NH?等氣體分子具有較高的吸附能力，吸附后會導致石墨烯電學性能的顯著變化，可用于制備高靈敏度的氣體傳感器。將Kagome超導體和二維材料復合，可能進一步提高傳感器的性能。將Kagome超導體與石墨