近日，我校物理学院徐小志教授团队刘美壮特聘研究员在“二维过渡金属硫化物的相结构与物性调控”研究方面取得重要研究进展。相关成果以“Phase-selective in-plane heteroepitaxial growth of H-phase CrSe2”为题，于2024年2月26日在线发表于国际学术期刊《自然-通讯》（Nature Communications）。华南师范大学为本论文的第一完成单位和第一通讯单位。物理学院刘美壮特聘研究员为论文唯一第一作者，刘美壮特聘研究员、新加坡国立大学Andrew Wee教授（新加坡科学院院士）为论文共同通讯作者。

二维过渡金属硫化物（TMDs）的相工程是探索不同相结构的独特物性和实现特定相结构的器件功能的重要手段。TMDs材料具有丰富的相结构（2H，1T，1T′，Td相等），所展现出独特物理和化学性质可以通过改变相结构来进行调控。目前已开发的相工程策略主要有碱金属插层、合金化、高温热处理、电场、机械应变和外部辐照等手段，这些化学和物理方法在触发结构转变得到目标相结构的过程中会遇到引入杂质和缺陷，以及去除外部激励条件后亚稳相恢复到原始结构等问题。相比之下，相选择生长具有直接制备特定相和高纯度相TMDs的优势。对于分子束外延生长，除了基本的温度控制外，还比较少有普适的策略来实现二维过渡金属硫化物材料的相选择生长，因而开发精准可控的相选择外延生长策略对于特定相结构的新奇物性研究和器件应用具有重要意义。

(a) 相选择异质外延生长H相CrSe2的示意图；(b) MoSe2-CrSe2横向异质结的STM图像；(c)异质结局部放大图像；(d) 横向异质结界面高分辨nc-AFM图像；(e) 横向异质结能带剖面的实空间成像；(f) 一维镜像孪生晶界MTB缺陷的恒高STM和nc-AFM图像；(g) MTB的dI/dV微分电导谱；(h) 沿着MTB方向dI/dV线谱的实空间成像。

在本工作中，研究组创新性地提出了通过面内外延模板诱导来实现二维过渡金属硫化物相选择生长的策略。单独生长硒化铬材料往往只能得到非层状生长的CrSe或1T和1T"多相共存的CrSe2结构，我们选择与H相CrSe2晶格相匹配的MoSe2纳米带作为面内外延模板，晶格匹配能够使得界面能量最小化，最终实现H相CrSe2的相选择生长。利用具有原子分辨能力的扫描隧道显微镜（STM）和非接触原子力显微镜（nc-AFM），研究组揭示了MoSe2-CrSe2横向异质结中原子级平整的界面和H相结构特有的一维镜像孪生晶界缺陷。不同于T相的金属性，H相呈现出非磁半导体性质，在MoSe2-CrSe2横向异质结界面处呈现出能带弯曲和I型能带排列。同时实验也揭示了一维镜像孪生晶界MTB缺陷中的电荷密度周期调制、长度依赖的带隙打开和自旋电荷分离现象等一系列Tomonaga-Luttinger liquid（TLL）电子行为。

该工作得到了广东省基础与应用基础研究区域联合基金-青年基金项目、广州市基础研究青年博士“启航”项目和新加坡教育部Academic Research Fund Tier 2项目的资助，DFT计算工作得到了国家超级计算广州中心的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46087-0