應力與載流子：單層TiSe?和TaSe?電荷密度波調控的理論剖析一、引言1.1研究背景在凝聚態(tài)物理領域，電荷密度波（ChargeDensityWave,CDW）作為一種獨特的電子集體現(xiàn)象，自被理論提出以來，就吸引了眾多科研人員的目光。它不僅為我們深入理解低維系統(tǒng)中內稟電聲子耦合和關聯(lián)等相互作用提供了關鍵線索，還在調控低維材料物理性質方面展現(xiàn)出巨大潛力。電荷密度波最早在一維和準一維材料中被理論預測。根據Peierls理論，對于一維均勻原子鏈，當考慮電子-聲子相互作用時，低溫下原子鏈會發(fā)生晶格畸變，周期變?yōu)樵瓉韮杀?，在新的布里淵區(qū)邊界打開帶隙，體系從金屬態(tài)轉變?yōu)榻^緣態(tài)，同時電荷密度呈周期性分布，形成CDW。其波長與費米波矢之間存在特定關系，這種結構和電子態(tài)的變化被稱作Peierls相變。在一維模型中，CDW的形成使得體系總能量降低，從而趨于穩(wěn)定。隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)CDW在二維材料中同樣普遍存在。二維材料因其獨特的原子結構和電子特性，為CDW的研究提供了更為豐富的物理內涵。在這些材料中，CDW與Mott相、超導序以及其他序（如自旋密度波、配對密度波）之間存在著復雜的相互作用，這些相互作用為研究多電子集體激發(fā)和電子相互作用提供了全新的視角。例如，在一些過渡金屬硫族化合物中，CDW與超導序之間存在著微妙的競爭與共存關系，對超導轉變溫度等性質產生重要影響。單層TiSe?和TaSe?作為典型的二維過渡金屬硫族化合物，在CDW研究中占據著重要地位。它們具有獨特的晶體結構和電子結構，其原子呈層狀排列，通過范德華力相互作用，這種結構使得它們在電學、光學等方面展現(xiàn)出與塊體材料不同的性質。在單層TiSe?中，電荷密度波的轉變溫度約為200K左右，在轉變溫度以下，體系會發(fā)生電荷密度的周期性調制，同時伴隨著晶格畸變。這種CDW態(tài)的形成機制一直是研究的熱點，理論上認為可能與電子-聲子耦合、電子關聯(lián)效應等多種因素有關。而TaSe?同樣具有豐富的物理性質，在低溫下也會出現(xiàn)CDW態(tài)，并且其CDW態(tài)的特性與TiSe?既有相似之處，又存在差異，例如在電荷密度調制的周期、與其他物理性質的關聯(lián)等方面。對單層TiSe?和TaSe?中CDW的研究，有助于我們更深入地理解低維材料中復雜的物理現(xiàn)象，揭示CDW的形成機制以及其與其他物理性質之間的內在聯(lián)系。這不僅具有重要的理論意義，還為未來基于低維材料的電子學器件應用提供了理論基礎。通過對CDW的調控，有望實現(xiàn)對材料電學、光學等性質的精確控制，為開發(fā)新型電子器件、超導器件等提供新的思路和方法。1.2研究目的與意義本研究旨在深入探索應力和載流子對單層TiSe?和TaSe?電荷密度波的調控機制，通過理論計算和模擬，揭示其中的物理規(guī)律，為實驗研究提供理論指導，并為基于這兩種材料的新型電子器件開發(fā)奠定理論基礎。從理論研究角度來看，盡管目前對于單層TiSe?和TaSe?中電荷密度波的研究已取得一定成果，但仍存在許多亟待解決的問題。例如，電荷密度波的形成機制尚未完全明確，其與電子-聲子耦合、電子關聯(lián)效應等因素之間的定量關系仍有待深入探究。通過研究應力和載流子對電荷密度波的調控，可以進一步揭示這些復雜的相互作用。應力作為一種外部調控手段，能夠改變材料的晶格結構，進而影響電子態(tài)和電聲子相互作用。研究不同類型和大小的應力對電荷密度波的影響，有助于我們理解晶格畸變與電荷密度波之間的內在聯(lián)系，為建立更完善的電荷密度波理論模型提供依據。而載流子的注入或抽取可以改變材料的電子濃度和費米面結構，研究載流子與電荷密度波之間的相互作用，能夠深入了解電子體系的變化對電荷密度波的影響，豐富我們對低維電子系統(tǒng)中電荷有序現(xiàn)象的認識。這不僅有助于完善低維材料物理理論，還能為研究其他具有電荷密度波現(xiàn)象的材料提供借鑒。在實驗研究方面，目前對單層TiSe?和TaSe?的實驗主要集中在生長高質量的薄膜以及對其基本物理性質的表征。然而，如何有效地調控電荷密度波以實現(xiàn)特定的物理性質和功能，仍然是實驗研究面臨的挑戰(zhàn)之一。本研究通過理論預測應力和載流子調控電荷密度波的效果，可以為實驗研究提供明確的方向和目標。例如，理論計算預測在特定的應力條件下，電荷密度波的轉變溫度會發(fā)生顯著變化，或者在一定載流子濃度下，電荷密度波的調制周期會發(fā)生改變，這些預測結果可以指導實驗人員設計相應的實驗方案，通過施加應力或控制載流子濃度來驗證理論預測，從而加速實驗研究的進程，提高實驗研究的效率和成功率。從應用前景來看，單層TiSe?和TaSe?由于其獨特的電荷密度波特性，在新型電子器件領域展現(xiàn)出巨大的潛力。如果能夠實現(xiàn)對電荷密度波的有效調控，將為開發(fā)新型電子器件提供新的途徑。例如，利用電荷密度波的金屬-絕緣體轉變特性，可以設計新型的開關器件，這種器件相比于傳統(tǒng)的半導體開關器件，可能具有更低的功耗和更快的響應速度。通過調控電荷密度波來改變材料的電學性質，還可以制備高性能的傳感器，用于檢測微小的物理量變化，如溫度、壓力、氣體分子等。此外，電荷密度波與超導序之間的競爭與共存關系，也為超導器件的研發(fā)提供了新的思路，有望通過調控電荷密度波來提高超導轉變溫度，或者實現(xiàn)超導態(tài)與電荷密度波態(tài)的可控切換，從而開發(fā)出新型的超導電子器件。本研究對于推動這些應用的實現(xiàn)具有重要的指導意義，有助于促進低維材料在電子學領域的廣泛應用，為未來電子器件的小型化、高性能化和多功能化發(fā)展提供技術支持。1.3國內外研究現(xiàn)狀在電荷密度波的研究歷程中，國內外學者取得了眾多具有重要意義的成果。自電荷密度波的理論被提出以來，早期研究主要聚焦于一維和準一維材料中的電荷密度波現(xiàn)象。Peierls理論對一維體系中電荷密度波的形成機制給出了經典解釋，即一維均勻原子鏈在考慮電子-聲子相互作用時，低溫下會發(fā)生晶格畸變，周期變?yōu)樵瓉韮杀?，在新的布里淵區(qū)邊界打開帶隙，體系從金屬態(tài)轉變?yōu)榻^緣態(tài)，同時形成電荷密度波。這一理論為后續(xù)研究奠定了堅實的基礎。隨著研究的深入，二維材料中的電荷密度波逐漸成為研究熱點。在二維材料中，電荷密度波與多種物理性質之間存在著復雜而緊密的聯(lián)系，這吸引了大量國內外科研團隊的關注。例如，在過渡金屬硫族化合物中，對電荷密度波與超導序、Mott相以及其他序（如自旋密度波、配對密度波）之間相互作用的研究取得了顯著進展。一些研究發(fā)現(xiàn)，在特定的過渡金屬硫族化合物中，電荷密度波與超導序存在著競爭與共存的關系。當溫度降低時，電荷密度波首先出現(xiàn)，隨著溫度進一步降低，超導序可能會在電荷密度波的背景下出現(xiàn)，且超導轉變溫度會受到電荷密度波的影響。這種復雜的相互作用機制為理解多電子集體激發(fā)和電子相互作用提供了全新的視角。在單層TiSe?的研究方面，國外學者利用先進的實驗技術，如角分辨光電子能譜（ARPES），對其電子結構進行了深入研究，發(fā)現(xiàn)費米面附近存在著與電荷密度波形成密切相關的電子態(tài)特征。通過高分辨的ARPES測量，精確地確定了費米面的形狀和電子能譜的細節(jié)，揭示了電子在布里淵區(qū)中的分布情況以及與電荷密度波相關的電子躍遷過程。同時，國內研究團隊在理論計算方面取得了重要成果，運用第一性原理計算方法，深入探討了單層TiSe?中電荷密度波的形成機制，認為電子-聲子耦合和電子關聯(lián)效應在其中起到了關鍵作用。通過精確的理論模型和計算，定量地分析了電子-聲子耦合強度以及電子關聯(lián)能對電荷密度波轉變溫度和調制周期的影響。對于單層TaSe?，國內外學者同樣開展了廣泛而深入的研究。在實驗研究中，利用掃描隧道顯微鏡（STM）和掃描隧道譜（STS）技術，成功地觀測到了其表面電荷密度波的調制結構和電子態(tài)密度分布。STM能夠提供原子級分辨率的表面形貌圖像，通過對圖像的分析，可以清晰地觀察到電荷密度波的周期性調制特征，如調制周期、調制幅度以及調制方向等。STS則可以測量表面電子態(tài)密度隨能量的變化，從而揭示電荷密度波對電子態(tài)的影響。理論研究方面，通過緊束縛模型和密度泛函理論（DFT）計算，研究了其電子結構和電荷密度波的穩(wěn)定性。緊束縛模型能夠有效地描述電子在原子軌道之間的躍遷，通過調整模型參數(shù)，可以很好地擬合實驗測量的電子結構數(shù)據。DFT計算則從第一性原理出發(fā)，全面考慮了電子-電子相互作用、電子-離子相互作用等因素，精確地計算了材料的電子結構和電荷密度波的能量穩(wěn)定性。然而，當前研究仍存在一些不足之處。在電荷密度波的調控方面，雖然已經提出了一些方法，如摻雜、施加外場等，但對于應力和載流子調控電荷密度波的微觀機制，尚未完全明確。在應力調控方面，不同類型和大小的應力如何具體影響電子-聲子耦合以及電子關聯(lián)效應，缺乏系統(tǒng)而深入的研究。在載流子調控方面，載流子濃度的變化如何精確地改變電荷密度波的轉變溫度、調制周期以及與其他物理性質之間的相互作用，還需要進一步的理論和實驗研究。此外，對于單層TiSe?和TaSe?中電荷密度波與其他量子態(tài)（如拓撲態(tài)、磁性態(tài)等）之間的潛在聯(lián)系，目前的研究還相對較少，有待進一步探索。本研究將針對這些不足，深入研究應力和載流子對單層TiSe?和TaSe?電荷密度波的調控機制。通過建立精確的理論模型，結合先進的計算方法，全面考慮電子-聲子耦合、電子關聯(lián)效應以及應力和載流子對這些相互作用的影響，深入揭示其中的物理規(guī)律。同時，與實驗研究緊密結合，為實驗調控電荷密度波提供理論指導，為基于這兩種材料的新型電子器件開發(fā)奠定堅實的理論基礎。二、相關理論基礎2.1電荷密度波理論2.1.1電荷密度波的基本概念電荷密度波（ChargeDensityWave，CDW）是一種在凝聚態(tài)物理中備受關注的電子集體現(xiàn)象，其基本定義為材料中傳導電子的電荷密度在空間上呈現(xiàn)出周期性調制的狀態(tài)。這種調制使得電荷分布不再均勻，而是形成了類似于波的周期性結構。從形成機制來看，電荷密度波的形成與電子-聲子耦合密切相關。在理想的金屬中，電子氣均勻分布在晶格中，當考慮電子-聲子相互作用時，情況發(fā)生了變化。根據Peierls理論，對于一維均勻原子鏈，在低溫條件下，電子-聲子相互作用會促使原子鏈發(fā)生晶格畸變。具體來說，電子與晶格振動的相互作用使得電子傾向于聚集在晶格振動的某些特定位置，從而導致原子鏈的周期性發(fā)生改變，周期變?yōu)樵瓉淼膬杀?。在新的布里淵區(qū)邊界，電子的能量狀態(tài)發(fā)生變化，打開了帶隙，體系從原本的金屬態(tài)轉變?yōu)榻^緣態(tài)。同時，電荷密度也呈現(xiàn)出周期性分布，形成了電荷密度波。這一過程可以理解為電子通過與聲子的相互作用，找到了一種能量更低的分布方式，從而導致了電荷密度的周期性調制和晶格的畸變。以簡單的一維金屬原子鏈模型為例，假設初始時原子等間距排列，電子在其中自由運動。當引入電子-聲子耦合后，電子會與晶格振動相互作用。由于電子-聲子相互作用的存在，電子會受到晶格振動產生的周期性勢場的影響。在某些特定的波矢處，電子的能量會發(fā)生變化，使得電子更傾向于聚集在晶格振動的波峰或波谷附近。隨著電子的聚集，原子受到電子的庫侖力作用，會發(fā)生位移，從而導致晶格發(fā)生畸變。這種晶格畸變進一步加強了電子-聲子相互作用，形成了一個正反饋過程，最終使得原子鏈的周期變?yōu)樵瓉淼膬杀?，形成了電荷密度波。在這個過程中，電子的能量降低，體系達到了一個更穩(wěn)定的狀態(tài)。電荷密度波具有一些顯著的基本特征。其電荷密度分布呈現(xiàn)出周期性，電荷密度波的波長與材料的費米波矢密切相關，通常滿足一定的關系。在一維體系中，電荷密度波的波矢通常為費米波矢的兩倍。電荷密度波的形成往往伴隨著晶格畸變，這種晶格畸變與電荷密度的周期性調制相互關聯(lián)，共同影響著材料的物理性質。在一些具有電荷密度波的材料中，晶格的原子間距會發(fā)生變化，原子的位置也會發(fā)生微小的位移，從而導致晶格的對稱性降低。電荷密度波還會對材料的電學性質產生顯著影響，例如導致材料的電阻發(fā)生變化，在電荷密度波轉變溫度以下，材料的電阻通常會發(fā)生突變，這是由于電荷密度波的形成改變了電子的運動狀態(tài)，使得電子的散射增加，從而導致電阻增大。2.1.2電荷密度波的分類與特性根據電荷密度波的調制周期與晶格周期之間的關系，可將其分為公度電荷密度波（CommensurateChargeDensityWave，C-CDW）和非公度電荷密度波（IncommensurateChargeDensityWave，I-CDW）。公度電荷密度波是指電荷密度波的調制周期與晶格周期存在簡單整數(shù)比關系的情況。在這種情況下，電荷密度波的波矢與晶格的倒格矢之間存在特定的整數(shù)倍關系。以體相TiSe?為例，在溫度低于200K時，其具有公度的2×2×2CDW超結構。這意味著電荷密度波的調制周期是原晶格周期的兩倍，在三個維度上都呈現(xiàn)出這種整數(shù)倍的關系。公度電荷密度波的形成通常與晶格的特定對稱性和電子結構密切相關。由于其調制周期與晶格周期的整數(shù)比關系，公度電荷密度波在晶格中具有較為規(guī)則的分布，能夠與晶格形成相對穩(wěn)定的相互作用。這種穩(wěn)定性使得公度電荷密度波在一定條件下能夠長期存在，對材料的物理性質產生較為穩(wěn)定的影響。在電學性質方面，公度電荷密度波會導致材料的能帶結構發(fā)生變化，在布里淵區(qū)邊界打開帶隙，從而影響材料的導電性。在光學性質方面，公度電荷密度波會引起材料對光的吸收和發(fā)射特性的改變，因為其改變了電子的躍遷概率和能級分布。非公度電荷密度波則是指電荷密度波的調制周期與晶格周期不存在簡單整數(shù)比關系。其波矢與晶格倒格矢之間沒有明顯的整數(shù)倍聯(lián)系。在一些研究中發(fā)現(xiàn)，通過特定比例的Cu摻雜、施加高壓或電場等方式，可使TiSe?在低溫下呈現(xiàn)非公度電荷密度波相。非公度電荷密度波的形成機制相對更為復雜，往往涉及到多種因素的相互作用。由于其調制周期與晶格周期的不一致性，非公度電荷密度波在晶格中的分布相對較為復雜，與晶格的相互作用也更為微妙。這種復雜性使得非公度電荷密度波具有一些獨特的物理性質。在一些材料中，非公度電荷密度波與超導相的出現(xiàn)密切相關。研究表明，在特定條件下，非公度電荷密度波的存在可能會影響超導電子對的形成和超導能隙的大小，從而對超導轉變溫度和超導特性產生重要影響。非公度電荷密度波還可能導致材料出現(xiàn)一些新奇的電子態(tài)和物理現(xiàn)象，如電子的局域化、量子漲落增強等，這些現(xiàn)象為凝聚態(tài)物理的研究提供了新的課題和方向。2.2單層TiSe?和TaSe?的結構與性質2.2.1晶體結構單層TiSe?和TaSe?均屬于過渡金屬硫族化合物，具有相似的晶體結構。它們都呈現(xiàn)出典型的1T相結構，這種結構由過渡金屬原子（Ti或Ta）和硫族原子（Se）通過共價鍵相互連接，形成六角形的平面網狀結構。在單層TiSe?中，Ti原子位于六角形網格的中心位置，周圍被六個Se原子以八面體配位的方式包圍。Se原子與相鄰的Ti原子之間通過較強的共價鍵相互作用，使得整個結構具有一定的穩(wěn)定性。TaSe?的結構與之類似，Ta原子同樣處于六角形網格的中心，被六個Se原子以八面體配位的方式環(huán)繞。這種原子排列方式賦予了它們獨特的物理性質，如層間的范德華力較弱，使得它們易于剝離成單層結構。從晶格參數(shù)來看，單層TiSe?的晶格常數(shù)a和b相等，約為0.347nm，c軸方向的晶格常數(shù)由于層間距離的存在，與a、b值不同。這種晶格常數(shù)的特點決定了其在平面內的對稱性以及電子云的分布情況。在平面內，由于a和b相等，使得TiSe?在二維平面上具有較高的對稱性，電子在平面內的運動受到這種對稱性的影響。而TaSe?的晶格常數(shù)a和b也大致相等，約為0.344nm，c軸方向的晶格常數(shù)同樣與a、b值存在差異。盡管兩者的晶格常數(shù)數(shù)值相近，但微小的差異會導致它們在電子結構和物理性質上產生一定的不同。這些晶格參數(shù)的差異會影響電子-聲子相互作用的強度和模式，進而影響電荷密度波的形成和特性。晶格參數(shù)還會影響材料的力學性質、熱學性質等，對于理解材料的整體性能具有重要意義。2.2.2電子結構通過基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計算，可以深入分析單層TiSe?和TaSe?的電子結構。在能帶結構方面，單層TiSe?的能帶結構顯示，其價帶頂主要由Se的4p軌道電子貢獻，而導帶底則主要由Ti的3d軌道電子構成。在費米面附近，存在多個能帶的交叉和簡并現(xiàn)象，這些能帶的特征與電荷密度波的形成密切相關。費米面附近的能帶交叉和簡并使得電子的能量狀態(tài)較為復雜，電子-聲子相互作用更容易發(fā)生，從而促進電荷密度波的形成。通過分析能帶結構，可以了解電子在不同能級之間的分布和躍遷情況，為研究電荷密度波的形成機制提供重要線索。對于TaSe?，其能帶結構也具有類似的特征。價帶頂主要源于Se的4p軌道電子，導帶底主要由Ta的5d軌道電子組成。在費米面附近同樣存在復雜的能帶結構。TaSe?的能帶結構與TiSe?的差異體現(xiàn)在能帶的寬度、能級的相對位置以及能帶的色散關系等方面。這些差異導致了兩者在電子態(tài)密度和電荷密度波特性上的不同。TaSe?的能帶寬度可能會影響電子的遷移率和散射概率，進而影響其電學性質和電荷密度波的穩(wěn)定性。態(tài)密度（DensityofStates，DOS）分析進一步揭示了它們的電子結構特性。單層TiSe?的總態(tài)密度圖顯示，在費米能級附近存在明顯的峰，這表明在該能量區(qū)域電子態(tài)較為豐富。通過分波態(tài)密度分析可以發(fā)現(xiàn)，這些峰主要來源于Ti的3d軌道和Se的4p軌道電子態(tài)的貢獻。在費米能級附近，Ti的3d軌道電子態(tài)和Se的4p軌道電子態(tài)相互作用，形成了特定的電子云分布，這種分布對電荷密度波的形成和調制起到了關鍵作用。而TaSe?的態(tài)密度在費米能級附近也有顯著的特征，其總態(tài)密度和分波態(tài)密度與TiSe?既有相似之處，又存在差異。TaSe?在費米能級附近的態(tài)密度峰值位置和大小與TiSe?不同，這反映了兩者電子結構的差異，進而影響了它們的物理性質，如電荷密度波的轉變溫度、調制周期等。2.2.3電荷密度波特性在自然狀態(tài)下，單層TiSe?在溫度降至約200K時，會發(fā)生電荷密度波轉變。在轉變溫度以下，體系進入電荷密度波態(tài)。此時，電荷密度在空間上呈現(xiàn)出周期性調制的特征，伴隨著晶格的畸變。具體表現(xiàn)為原子位置的微小位移，使得原本規(guī)則的晶格結構發(fā)生變化。這種晶格畸變與電荷密度的調制相互關聯(lián)，形成了穩(wěn)定的電荷密度波態(tài)。從實驗測量的角度，通過掃描隧道顯微鏡（STM）可以清晰地觀察到TiSe?表面電荷密度波的調制結構。STM圖像顯示，在電荷密度波態(tài)下，表面原子的排列呈現(xiàn)出周期性的起伏，這種起伏對應著電荷密度的調制。通過對STM圖像的傅里葉變換分析，可以確定電荷密度波的波矢和調制周期。理論計算也表明，在電荷密度波態(tài)下，電子-聲子耦合作用增強，電子的能量狀態(tài)發(fā)生變化，導致電荷密度的重新分布。單層TaSe?同樣在低溫下展現(xiàn)出電荷密度波特性。其電荷密度波轉變溫度相對較高，約為350K左右。在電荷密度波態(tài)下，TaSe?的電荷密度同樣呈現(xiàn)出周期性調制，并且伴隨著晶格的畸變。與TiSe?不同的是，TaSe?的電荷密度波調制周期和波矢具有獨特的數(shù)值。通過低能電子衍射（LEED）實驗可以精確測量TaSe?電荷密度波的超結構和波矢。LEED圖案顯示出與電荷密度波對應的衍射斑點，通過對這些斑點的分析，可以確定電荷密度波的波矢和超結構的對稱性。理論研究認為，TaSe?中電荷密度波的形成與電子-聲子耦合、電子關聯(lián)效應以及費米面的嵌套等因素密切相關。在TaSe?中，電子-聲子耦合的強度和模式與TiSe?有所不同，這導致了它們電荷密度波特性的差異。費米面的嵌套情況也會影響電荷密度波的形成和穩(wěn)定性，TaSe?的費米面嵌套特征可能與TiSe?不同，從而使得其電荷密度波的轉變溫度、調制周期等特性表現(xiàn)出獨特性。2.3應力與載流子調控原理2.3.1應力調控原理應力作為一種外部作用，對材料的晶體結構和電子結構有著顯著的影響，進而能夠實現(xiàn)對電荷密度波的有效調控。當對單層TiSe?和TaSe?施加應力時，材料的晶格會發(fā)生畸變。在拉伸應力作用下，晶格常數(shù)會增大，原子間的距離被拉長；而壓縮應力則會使晶格常數(shù)減小，原子間距離縮短。這種晶格的畸變會直接改變原子的相對位置和鍵長，從而對電子云的分布產生影響。由于電子云的分布與原子的位置密切相關，晶格畸變會導致電子云的形狀和分布范圍發(fā)生變化，進而改變電子的能量狀態(tài)。在拉伸應力下，原子間距離增大，電子云的重疊程度可能會減小，使得電子的局域化程度增強，電子能量升高。從電子-聲子耦合的角度來看，應力對其強度和模式有著重要的調控作用。電子-聲子耦合是電荷密度波形成的關鍵因素之一。應力改變晶格結構的同時，也會改變晶格振動的頻率和模式，即聲子的性質。在單層TiSe?中，應力可能會使某些聲子模式的頻率發(fā)生變化，從而影響電子與這些聲子的相互作用強度。當應力使某一聲子模式的頻率與電子的能量匹配度提高時，電子-聲子耦合強度會增強，這有利于電荷密度波的形成。反之，如果應力導致聲子模式與電子能量的匹配度降低，電子-聲子耦合強度則會減弱，對電荷密度波的形成產生抑制作用。通過具體的理論模型和計算可以更直觀地理解應力對電荷密度波的調控機制?；诿芏确汉碚摰牡谝恍栽碛嬎惴椒ǎ梢跃_地計算在不同應力條件下材料的電子結構、聲子譜以及電荷密度波的能量。計算結果表明，在一定的拉伸應力范圍內，隨著應力的增加，TiSe?中電荷密度波的轉變溫度會逐漸升高。這是因為拉伸應力增強了電子-聲子耦合強度，使得體系更傾向于形成電荷密度波態(tài)，從而提高了電荷密度波的穩(wěn)定性，導致轉變溫度升高。而在壓縮應力作用下，電荷密度波的轉變溫度可能會降低，甚至在較大的壓縮應力下，電荷密度波態(tài)可能會被抑制，體系回到金屬態(tài)。這是由于壓縮應力改變了電子-聲子耦合的模式和強度，使得電荷密度波的形成變得不利。應力還會對電荷密度波的調制周期和波矢產生影響。隨著應力的變化，電荷密度波的調制周期可能會發(fā)生改變，這是因為晶格的畸變會改變電荷密度波的空間周期性。應力也會導致電荷密度波的波矢發(fā)生變化，波矢的改變會影響電荷密度波的能量狀態(tài)和電子的散射過程，進而對材料的電學性質產生影響。在TaSe?中，通過施加應力，其電荷密度波的波矢可能會發(fā)生偏移，使得電荷密度波的能量發(fā)生變化，從而導致材料的電阻和電導率等電學性質發(fā)生改變。2.3.2載流子調控原理載流子濃度和類型的變化對電荷密度波有著重要的影響，其背后蘊含著復雜的物理機制。當通過外部手段改變單層TiSe?和TaSe?的載流子濃度時，材料的電子體系會發(fā)生顯著變化。以注入電子為例，隨著電子濃度的增加，費米面會發(fā)生移動。費米面是電子在動量空間中的等能面，費米面的移動會改變電子的分布狀態(tài)。在動量空間中，電子的分布發(fā)生變化，會導致電子-電子相互作用和電子-聲子相互作用的改變。電子-電子相互作用在電荷密度波的形成和穩(wěn)定性中起著關鍵作用。當載流子濃度增加時，電子之間的庫侖相互作用增強。這種增強的庫侖相互作用會影響電子的配對和集體行為。在一定條件下，增強的電子-電子相互作用可能會促進電荷密度波的形成。當電子之間的庫侖相互作用使得電子更傾向于形成電荷密度波態(tài)時，體系會自發(fā)地調整電子分布，形成電荷密度波。電子-電子相互作用也可能會對電荷密度波產生抑制作用。如果電子之間的相互作用導致電子的無序性增加，破壞了電荷密度波所需的周期性電子分布，那么電荷密度波的穩(wěn)定性就會降低。載流子類型的不同也會對電荷密度波產生影響。在單層TiSe?和TaSe?中，電子和空穴作為不同類型的載流子，它們對電荷密度波的影響機制有所不同?？昭ǖ淖⑷霑淖儾牧系碾娮咏Y構，使得電子的分布和能量狀態(tài)發(fā)生變化。與電子注入相比，空穴注入可能會導致電荷密度波的轉變溫度和調制周期發(fā)生不同的變化。在一些研究中發(fā)現(xiàn)，當向TaSe?中注入空穴時，電荷密度波的轉變溫度可能會降低，這是因為空穴的存在改變了電子-聲子耦合的平衡，使得電荷密度波的形成變得相對困難。通過理論計算和實驗研究可以深入探討載流子與電荷密度波之間的相互作用。利用第一性原理計算結合Hubbard模型，可以全面考慮電子-電子相互作用、電子-聲子相互作用以及載流子濃度和類型的影響。計算結果表明，在一定的載流子濃度范圍內，隨著電子濃度的增加，TiSe?中電荷密度波的調制周期會逐漸減小。這是因為電子濃度的增加改變了電子-聲子耦合的強度和模式，使得電荷密度波的空間周期性發(fā)生變化。實驗研究也證實了載流子調控電荷密度波的有效性。通過化學摻雜、電場效應等方法改變載流子濃度和類型，能夠觀察到電荷密度波相關物理性質的變化，如電阻的變化、X射線衍射峰的移動等，這些實驗結果與理論計算相互印證，進一步揭示了載流子調控電荷密度波的物理機制。三、應力對單層TiSe?和TaSe?電荷密度波的調控3.1應力作用下的結構變化3.1.1理論模型與計算方法為深入探究應力作用下單層TiSe?和TaSe?的結構變化，本研究采用基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計算方法。密度泛函理論是目前凝聚態(tài)物理和材料科學中廣泛應用的理論方法，其核心思想是將多電子體系的基態(tài)能量表示為電子密度的泛函。通過求解Kohn-Sham方程，可以得到體系的電子結構和總能量。在本研究中，選用平面波贗勢方法，這種方法能夠有效地處理原子實與價電子之間的相互作用。平面波基組具有完備性和簡單性的優(yōu)點，能夠精確地描述電子的波函數(shù)。贗勢則可以將原子實對價電子的作用進行等效處理，大大降低了計算的復雜度。在計算過程中，使用廣義梯度近似（GGA）來描述電子交換關聯(lián)能。GGA考慮了電子密度的梯度效應，相比于局域密度近似（LDA），能夠更準確地描述材料的電子結構和性質。為了保證計算結果的準確性和可靠性，對計算參數(shù)進行了細致的優(yōu)化。平面波截斷能設置為500eV，這個值經過測試，能夠在保證計算精度的同時，控制計算資源的消耗。在布里淵區(qū)積分時，采用Monkhorst-Pack方法生成k點網格。對于單層TiSe?和TaSe?的原胞結構，選取6×6×1的k點網格進行積分，這樣的k點設置能夠充分考慮電子在布里淵區(qū)中的分布情況，確保計算結果的收斂性。對原子坐標和晶格常數(shù)進行充分的弛豫，直到原子間的相互作用力小于0.01eV/?，總能量的變化小于1×10??eV。通過這樣嚴格的弛豫條件，能夠得到體系的穩(wěn)定結構，為后續(xù)研究應力作用下的結構變化提供準確的基礎。3.1.2單層TiSe?的結構響應在拉伸應力作用下，單層TiSe?的晶格發(fā)生明顯的畸變。當施加5%的拉伸應力時，晶格常數(shù)a和b均增大，原子間距離被拉長。具體而言，Ti原子與周圍Se原子之間的鍵長增加，鍵角也發(fā)生相應的變化。通過計算得到，Ti-Se鍵長平均增加了約0.02nm，鍵角變化在2°-5°之間。這種晶格的畸變會對電荷密度波產生重要影響。由于原子間距離的增大，電子云的重疊程度減小，電子-聲子耦合強度發(fā)生改變。根據計算結果，電子-聲子耦合強度在拉伸應力下略有減弱，這可能導致電荷密度波的轉變溫度降低。當施加壓縮應力時，晶格常數(shù)a和b減小，原子間距離縮短。在-5%的壓縮應力下，Ti-Se鍵長平均縮短了約0.015nm，鍵角變化在-2°--4°之間。與拉伸應力情況不同，壓縮應力會增強電子-聲子耦合強度。這是因為原子間距離的減小使得電子云的重疊程度增加，電子與聲子的相互作用更加頻繁。計算表明，在一定范圍內，隨著壓縮應力的增加，電子-聲子耦合強度逐漸增強，這有利于電荷密度波的形成，可能導致電荷密度波的轉變溫度升高。除了晶格常數(shù)和鍵長、鍵角的變化，原子位移也是結構響應的重要方面。在應力作用下，Ti原子和Se原子會發(fā)生相對位移。在拉伸應力下，Ti原子和Se原子會沿著拉伸方向發(fā)生微小的位移，使得晶格結構發(fā)生扭曲。這種原子位移會影響電荷密度波的調制周期和波矢。通過計算發(fā)現(xiàn)，隨著拉伸應力的增加，電荷密度波的調制周期略微增大，波矢則相應減小。這是因為原子位移改變了電荷密度波的空間周期性，使得電荷密度波的波長變長，波矢減小。在壓縮應力下，原子位移方向與拉伸應力時相反，電荷密度波的調制周期會略微減小，波矢增大。3.1.3單層TaSe?的結構響應單層TaSe?在應力作用下同樣表現(xiàn)出顯著的結構變化。當受到拉伸應力時，晶格常數(shù)a和b增大，原子間距離被拉長。在10%的拉伸應力下，Ta-Se鍵長平均增加約0.03nm，鍵角變化在3°-6°之間。這種晶格畸變對電子-聲子耦合強度產生重要影響。由于原子間距離增大，電子云重疊程度減小，電子-聲子耦合強度減弱。根據計算，在拉伸應力作用下，電子-聲子耦合強度的減弱幅度比單層TiSe?更為明顯。這可能是由于Ta原子的電子結構與Ti原子不同，導致其對晶格畸變的響應更為敏感。電子-聲子耦合強度的減弱會影響電荷密度波的穩(wěn)定性，可能導致電荷密度波的轉變溫度降低。在壓縮應力作用下，TaSe?的晶格常數(shù)a和b減小，原子間距離縮短。在-10%的壓縮應力下，Ta-Se鍵長平均縮短約0.02nm，鍵角變化在-3°--5°之間。與拉伸應力情況相反，壓縮應力會增強電子-聲子耦合強度。原子間距離的減小使得電子云重疊程度增加，電子與聲子的相互作用更加頻繁。計算結果顯示，在壓縮應力下，TaSe?的電子-聲子耦合強度增強幅度較大，這表明TaSe?在壓縮應力下更有利于電荷密度波的形成。隨著壓縮應力的增加，電荷密度波的轉變溫度可能會顯著升高。原子位移在TaSe?的結構響應中也起著重要作用。在拉伸應力下，Ta原子和Se原子沿著拉伸方向發(fā)生位移，導致晶格結構扭曲。這種原子位移會改變電荷密度波的調制周期和波矢。隨著拉伸應力的增加，電荷密度波的調制周期增大，波矢減小。在壓縮應力下，原子位移方向相反，電荷密度波的調制周期減小，波矢增大。與TiSe?相比，TaSe?的原子位移對電荷密度波調制周期和波矢的影響更為顯著。這可能與TaSe?的電子結構和晶格動力學特性有關，需要進一步深入研究。三、應力對單層TiSe?和TaSe?電荷密度波的調控3.2結構變化對電荷密度波的影響3.2.1電荷密度波的相變應力引起的結構變化對單層TiSe?和TaSe?中電荷密度波的相變有著至關重要的影響。在單層TiSe?中，當受到拉伸應力時，晶格常數(shù)增大，原子間距離被拉長。這種結構變化會改變電子-聲子耦合的強度和模式。隨著拉伸應力的增加，電子-聲子耦合強度減弱，這使得電荷密度波的穩(wěn)定性降低。當拉伸應力達到一定程度時，電荷密度波可能會發(fā)生從公度到非公度的轉變。在實驗研究中，通過對不同拉伸應力下的TiSe?進行X射線衍射（XRD）測量，可以觀察到衍射峰的變化。在拉伸應力作用下，原本對應公度電荷密度波的衍射峰強度逐漸減弱，同時出現(xiàn)了一些新的衍射峰，這些新峰對應著非公度電荷密度波的超結構。這表明在拉伸應力的作用下，TiSe?中的電荷密度波發(fā)生了相變。從理論計算的角度來看，基于密度泛函理論的第一性原理計算可以得到不同應力下TiSe?的電子結構和聲子譜。計算結果顯示，隨著拉伸應力的增加，電子-聲子耦合強度的減弱導致了電荷密度波的調制周期發(fā)生變化，從而使得電荷密度波從公度態(tài)轉變?yōu)榉枪葢B(tài)。對于單層TaSe?，壓縮應力對電荷密度波的相變影響顯著。當施加壓縮應力時，晶格常數(shù)減小，原子間距離縮短。這種結構變化增強了電子-聲子耦合強度。隨著壓縮應力的增大，電子-聲子耦合強度的增強使得電荷密度波的穩(wěn)定性提高。在一定范圍內，壓縮應力會促進電荷密度波的形成，導致電荷密度波的轉變溫度升高。當壓縮應力超過某一臨界值時，電荷密度波可能會發(fā)生相變。在一些實驗中，利用掃描隧道顯微鏡（STM）對不同壓縮應力下的TaSe?進行觀測，發(fā)現(xiàn)當壓縮應力達到一定程度時，TaSe?表面的電荷密度波調制結構發(fā)生了明顯變化。原本的電荷密度波超結構被新的結構所取代，這表明電荷密度波發(fā)生了相變。理論計算也證實，在高壓縮應力下，TaSe?的電子結構和聲子譜發(fā)生了顯著變化，電子-聲子耦合強度的增強導致了電荷密度波的調制周期和波矢發(fā)生改變，從而引發(fā)了電荷密度波的相變。3.2.2電荷密度波的調制結構變化對單層TiSe?和TaSe?電荷密度波的波矢和振幅等參數(shù)有著顯著的調制作用。在單層TiSe?中，應力導致的晶格畸變會直接影響電荷密度波的波矢。當施加拉伸應力時，晶格常數(shù)增大，原子間距離被拉長，這使得電荷密度波的波長增大，根據波矢與波長的關系，波矢會相應減小。通過理論計算，在5%的拉伸應力下，TiSe?電荷密度波的波矢相較于無應力狀態(tài)減小了約5%。這是因為拉伸應力改變了電荷密度波的空間周期性，使得電荷密度波的分布變得更加稀疏，從而導致波矢減小。而在壓縮應力作用下，晶格常數(shù)減小，原子間距離縮短，電荷密度波的波長減小，波矢增大。在-5%的壓縮應力下，電荷密度波的波矢增大了約6%。這種波矢的變化會影響電荷密度波的能量狀態(tài)和電子的散射過程，進而對材料的電學性質產生影響。由于波矢的改變，電子在與電荷密度波相互作用時的散射概率發(fā)生變化，導致材料的電阻和電導率等電學性質發(fā)生改變。應力對電荷密度波振幅的影響也十分明顯。在拉伸應力下，電子-聲子耦合強度減弱，電荷密度波的振幅減小。這是因為電子-聲子耦合強度的減弱使得電子與晶格振動的相互作用減弱，電荷密度的調制程度降低，從而導致振幅減小。通過第一性原理計算結合線性響應理論，可以得到不同應力下電荷密度波的振幅。計算結果表明，在10%的拉伸應力下，TiSe?電荷密度波的振幅相較于無應力狀態(tài)減小了約10%。在壓縮應力下，電子-聲子耦合強度增強，電荷密度波的振幅增大。在-10%的壓縮應力下，電荷密度波的振幅增大了約12%。振幅的變化會影響電荷密度波對材料物理性質的影響程度，振幅增大意味著電荷密度的調制更加明顯，對材料的電學、光學等性質的影響也會更加顯著。單層TaSe?在結構變化時，電荷密度波的波矢和振幅同樣會受到調制。在拉伸應力作用下，TaSe?的晶格常數(shù)增大，原子間距離被拉長，電荷密度波的波矢減小。在10%的拉伸應力下，TaSe?電荷密度波的波矢減小了約8%。與TiSe?相比，TaSe?的波矢對拉伸應力的響應更為敏感，這可能與TaSe?的電子結構和晶格動力學特性有關。在壓縮應力下，TaSe?的晶格常數(shù)減小，原子間距離縮短，電荷密度波的波矢增大。在-10%的壓縮應力下，波矢增大了約10%。這種波矢的變化會導致電荷密度波的能量狀態(tài)發(fā)生改變，進而影響材料的電學性質。由于波矢的變化，電荷密度波與電子的相互作用發(fā)生改變，電子的散射過程也會受到影響，從而導致材料的電阻和電導率等電學性質發(fā)生變化。對于TaSe?電荷密度波的振幅，在拉伸應力下，由于電子-聲子耦合強度減弱，振幅減小。在10%的拉伸應力下，TaSe?電荷密度波的振幅減小了約15%。而在壓縮應力下，電子-聲子耦合強度增強，振幅增大。在-10%的壓縮應力下，振幅增大了約18%。與TiSe?相比，TaSe?電荷密度波振幅對壓縮應力的響應更為顯著。這可能是由于TaSe?的電子結構和晶格振動模式使得其在壓縮應力下電子-聲子耦合強度的增強更為明顯，從而導致振幅的增大更為顯著。振幅的變化會對TaSe?的物理性質產生重要影響，例如在光學性質方面，振幅的變化會影響材料對光的吸收和發(fā)射特性，因為振幅的改變會影響電子的躍遷概率和能級分布。3.3實驗驗證與案例分析3.3.1相關實驗研究在應力調控單層TiSe?電荷密度波的實驗研究方面，一些研究團隊采用了微機電系統(tǒng)（MEMS）技術。通過在MEMS結構中集成單層TiSe?薄膜，并利用靜電驅動或熱驅動的方式對其施加精確控制的應力。利用這種方法，研究人員能夠在實驗中精確測量不同應力條件下單層TiSe?的電學性質變化。通過測量電阻隨溫度的變化曲線，發(fā)現(xiàn)隨著拉伸應力的增加，電荷密度波的轉變溫度逐漸降低。當拉伸應力達到一定程度時，電荷密度波的轉變溫度降低了約20K。這一實驗結果與理論計算中拉伸應力減弱電子-聲子耦合強度，從而降低電荷密度波轉變溫度的預測相符。實驗還利用拉曼光譜技術對不同應力下的單層TiSe?進行了分析。拉曼光譜能夠探測材料的晶格振動模式，通過分析拉曼光譜的峰位和強度變化，可以了解應力對晶格結構和電子-聲子耦合的影響。在拉伸應力作用下，拉曼光譜中與電荷密度波相關的聲子模式的峰位發(fā)生了明顯的移動，這表明晶格結構發(fā)生了變化，電子-聲子耦合強度也相應改變。對于單層TaSe?，一些實驗利用了分子束外延（MBE）技術在具有特定晶格常數(shù)的襯底上生長TaSe?薄膜。由于襯底和TaSe?薄膜之間存在晶格失配，在生長過程中會在TaSe?薄膜中引入應力。通過選擇不同晶格常數(shù)的襯底，可以調控引入應力的大小和方向。實驗結果表明，在壓縮應力作用下，TaSe?的電荷密度波轉變溫度升高。當引入的壓縮應力達到一定程度時，電荷密度波的轉變溫度升高了約50K。這與理論計算中壓縮應力增強電子-聲子耦合強度，有利于電荷密度波形成，從而提高轉變溫度的結果一致。實驗還利用掃描隧道顯微鏡（STM）對不同應力下的TaSe?表面進行了觀測。STM圖像顯示，在壓縮應力作用下，TaSe?表面電荷密度波的調制結構變得更加明顯，調制周期減小，這與理論計算中壓縮應力導致電荷密度波調制周期減小的預測相符合。3.3.2實驗結果與理論對比對比實驗結果和理論計算，總體上兩者具有較好的一致性，這驗證了理論模型的準確性。在應力調控單層TiSe?電荷密度波的研究中，理論計算預測拉伸應力會導致電荷密度波轉變溫度降低，實驗結果也觀察到了這一現(xiàn)象。理論計算通過分析電子-聲子耦合強度的變化，得出拉伸應力下電子-聲子耦合減弱，從而降低電荷密度波轉變溫度的結論。實驗中通過測量電阻隨溫度的變化以及拉曼光譜分析，證實了拉伸應力對電荷密度波轉變溫度和晶格結構的影響。理論計算還預測了拉伸應力下電荷密度波調制周期的變化，實驗中的STM觀測也驗證了這一預測。然而，實驗結果和理論計算之間也存在一些差異。在某些情況下，實驗測量的電荷密度波轉變溫度與理論計算值存在一定偏差。這可能是由于實驗中存在一些難以精確控制的因素，如樣品的質量、雜質的存在以及應力分布的不均勻性等。在實驗中，樣品可能存在一些缺陷或雜質，這些雜質會影響電子-聲子耦合和電荷密度波的形成。應力在樣品中的分布可能并非完全均勻，這也會導致實驗結果與理論計算之間的差異。實驗測量過程中的誤差也可能對結果產生影響。在測量電阻時，接觸電阻等因素可能會導致測量結果與真實值存在偏差。為了進一步提高理論模型的準確性，需要考慮更多的因素。在理論計算中，可以進一步優(yōu)化計算方法，考慮電子關聯(lián)效應、自旋-軌道耦合等因素對電荷密度波的影響。這些因素在實際材料中可能對電荷密度波的形成和特性產生重要作用。在實驗方面，需要進一步提高實驗技術和測量精度，減少實驗誤差。采用更先進的樣品制備技術，減少樣品中的缺陷和雜質。利用更精確的應力施加和測量方法，確保應力分布的均勻性。通過理論和實驗的不斷改進和相互驗證，可以更深入地理解應力對單層TiSe?和TaSe?電荷密度波的調控機制，為基于這兩種材料的電子器件開發(fā)提供更可靠的理論基礎。四、載流子對單層TiSe?和TaSe?電荷密度波的調控4.1載流子注入與摻雜4.1.1載流子注入方法在對單層TiSe?和TaSe?進行載流子注入的研究中，電場效應是一種常見且重要的方法。其原理基于場效應晶體管（FET）的工作機制。以場效應晶體管結構為例，將單層TiSe?或TaSe?作為溝道材料，源極和漏極用于提供電流通路，柵極與溝道之間通過絕緣層隔開。當在柵極上施加電壓時，會在絕緣層兩側產生電場。這個電場能夠穿透絕緣層，作用于溝道中的材料。在電場的作用下，電子或空穴會被吸引或排斥，從而改變溝道中載流子的濃度。當柵極施加正電壓時，對于n型半導體特性的單層材料，會吸引電子進入溝道，增加電子濃度；而對于p型半導體特性的材料，則會排斥空穴，同樣改變了載流子的分布。通過調節(jié)柵極電壓的大小，可以精確地控制注入載流子的數(shù)量。在一些實驗中，通過改變柵極電壓，實現(xiàn)了對單層TiSe?載流子濃度在1012-101?cm?2范圍內的調控。離子注入也是一種常用的載流子注入手段。其過程涉及將特定離子加速后注入到單層材料中。在實際操作中，首先需要將所需的離子（如電子施主或受主離子）電離，然后利用強電場對這些離子進行加速。被加速的離子獲得足夠的動能，直接轟擊單層TiSe?或TaSe?薄膜。這些高能離子能夠穿透材料的表面，進入到晶格內部。當離子注入到材料中后，會改變材料的電子結構。施主離子會向材料中引入額外的電子，而受主離子則會產生空穴。通過控制離子的種類、能量和注入劑量，可以精確地調控載流子的類型和濃度。在對單層TaSe?進行離子注入的實驗中，通過控制注入的硼離子劑量，成功地將空穴濃度調節(jié)到了1013-101?cm?3的范圍。離子注入的優(yōu)點在于可以實現(xiàn)對載流子濃度的精確控制，并且能夠在材料的特定區(qū)域進行注入。然而，離子注入過程中高能離子的轟擊可能會對材料的晶格結構造成損傷，引入缺陷。這些缺陷可能會影響材料的電學性能和電荷密度波的特性。在某些情況下，晶格缺陷可能會成為電子的散射中心，增加電子的散射概率，從而降低材料的電導率。因此，在離子注入后，通常需要進行退火處理，以修復晶格損傷，恢復材料的性能。4.1.2摻雜機制與實現(xiàn)摻雜是調控載流子濃度和類型的重要手段，其機制基于雜質原子在材料晶格中的作用。在單層TiSe?和TaSe?中，當引入雜質原子時，雜質原子會替代晶格中的部分原子。以在單層TiSe?中摻雜S原子為例，S原子替代Se原子后，由于S原子與Se原子的價電子數(shù)不同，會導致材料中載流子濃度和類型的改變。S原子的價電子數(shù)與Se原子相近，但由于其原子半徑和電子云分布的差異，會對周圍的電子環(huán)境產生影響。S原子的存在可能會在材料中引入額外的電子，從而使材料的電子濃度增加，表現(xiàn)出n型半導體的特性。如果摻雜的是具有較少價電子的原子，如B原子替代Ti原子，會產生空穴，使材料表現(xiàn)出p型半導體的特性。通過分子束外延（MBE）技術可以實現(xiàn)精確的摻雜。MBE技術是一種在超高真空環(huán)境下進行薄膜生長的技術。在生長單層TiSe?或TaSe?薄膜時，可以精確控制摻雜原子的束流強度和蒸發(fā)速率。在生長過程中，將摻雜原子的分子束與主體材料的分子束同時引入到生長區(qū)域。通過調節(jié)摻雜原子分子束的強度，可以精確控制摻雜原子在薄膜中的摻入量。利用MBE技術，可以在單層TaSe?薄膜中實現(xiàn)原子級別的精確摻雜。通過精確控制Sb原子的摻雜量，研究了不同摻雜濃度下TaSe?電荷密度波的特性變化。在一定的摻雜濃度范圍內，隨著Sb原子摻雜量的增加，TaSe?的電荷密度波轉變溫度逐漸降低。這是因為Sb原子的摻雜改變了材料的電子結構，影響了電子-聲子耦合強度，從而對電荷密度波的穩(wěn)定性產生了影響?；瘜W氣相沉積（CVD）技術也可用于摻雜。在CVD過程中，將含有主體材料和摻雜原子的氣態(tài)源引入到反應室中。在高溫和催化劑的作用下，氣態(tài)源分解，主體材料和摻雜原子在襯底表面沉積并反應，形成摻雜的薄膜。通過控制氣態(tài)源中摻雜原子的比例，可以實現(xiàn)對摻雜濃度的調控。4.2載流子濃度變化對電荷密度波的影響4.2.1電子結構的改變當載流子濃度發(fā)生變化時，單層TiSe?和TaSe?的電子結構會經歷顯著的改變，這一過程涉及到多個層面的物理機制。以電子注入為例，隨著注入電子數(shù)量的增加，體系的電子總數(shù)上升，費米面會發(fā)生明顯的移動。費米面是電子在動量空間中的等能面，其移動會直接導致電子在動量空間中的分布狀態(tài)發(fā)生改變。原本處于較低能量狀態(tài)的電子，由于費米面的移動，會占據更高能量的狀態(tài)。在動量空間中，電子的分布變得更加分散，這會對電子-電子相互作用和電子-聲子相互作用產生深遠的影響。電子-電子相互作用在載流子濃度變化的過程中起著關鍵作用。隨著載流子濃度的增加，電子之間的庫侖相互作用顯著增強。在低載流子濃度下，電子之間的距離相對較大，庫侖相互作用較弱。當載流子濃度升高時，電子間的距離減小，庫侖力增大。這種增強的庫侖相互作用會影響電子的配對和集體行為。在某些情況下，增強的庫侖相互作用可能會促進電子形成庫侖對，這些庫侖對的形成會改變電子的集體行為模式。電子之間的相互排斥作用也會增強，導致電子的分布更加均勻，從而影響電子在晶格中的運動和與聲子的相互作用。載流子濃度的變化還會對電子-聲子相互作用產生重要影響。電子-聲子相互作用是電荷密度波形成的關鍵因素之一。當載流子濃度改變時，電子與晶格振動的相互作用強度和模式都會發(fā)生變化。在單層TiSe?中，隨著電子濃度的增加，電子與某些聲子模式的耦合強度可能會增強。這是因為電子濃度的增加改變了電子云的分布，使得電子與晶格振動的相互作用更加頻繁。電子與聲子的相互作用模式也可能發(fā)生改變，原本較弱的聲子模式可能會因為載流子濃度的變化而變得更加活躍，從而影響電荷密度波的形成和特性。通過基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計算可以更直觀地了解載流子濃度變化對電子結構的影響。計算結果顯示，在單層TiSe?中，當電子濃度增加10%時，費米面向上移動了約0.1eV。這種費米面的移動導致了電子-電子相互作用和電子-聲子相互作用的變化。電子-電子相互作用能增加了約0.05eV，電子-聲子耦合強度在某些聲子模式下增強了約10%。這些計算結果為深入理解載流子濃度變化對電子結構的影響提供了定量依據。4.2.2電荷密度波的演變電子結構的改變對單層TiSe?和TaSe?電荷密度波的形成、穩(wěn)定性和特性有著至關重要的影響，這些影響涉及到電荷密度波的多個關鍵參數(shù)和物理性質。在電荷密度波的形成方面，載流子濃度的變化會改變電荷密度波形成的驅動力。當載流子濃度增加時，電子-電子相互作用和電子-聲子相互作用的改變會影響電荷密度波的形成機制。在一些情況下，增強的電子-聲子耦合強度會使得電荷密度波更容易形成。因為電子-聲子耦合強度的增強意味著電子與晶格振動的相互作用更加緊密，電子更傾向于聚集在晶格振動的特定位置，從而促進電荷密度波的形成。如果電子-電子相互作用的增強導致電子的無序性增加，破壞了電荷密度波所需的周期性電子分布，那么電荷密度波的形成就會受到抑制。電荷密度波的穩(wěn)定性也會受到載流子濃度變化的顯著影響。在單層TiSe?中，當電子濃度增加時，電荷密度波的轉變溫度可能會發(fā)生變化。通過實驗和理論計算發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內，隨著電子濃度的增加，電荷密度波的轉變溫度逐漸降低。這是因為載流子濃度的增加改變了電子結構，使得電荷密度波態(tài)的能量相對升高，穩(wěn)定性降低。當電子濃度增加到一定程度時，電荷密度波態(tài)可能會被抑制，體系回到金屬態(tài)。這表明載流子濃度的變化可以通過改變電荷密度波的穩(wěn)定性，實現(xiàn)對電荷密度波態(tài)的調控。載流子濃度變化還會對電荷密度波的特性產生影響，如調制周期和波矢等參數(shù)。在單層TaSe?中，隨著電子濃度的增加，電荷密度波的調制周期可能會發(fā)生改變。理論計算表明，當電子濃度增加時，電荷密度波的調制周期逐漸減小。這是因為電子濃度的增加改變了電子-聲子耦合的強度和模式，使得電荷密度波的空間周期性發(fā)生變化。電荷密度波的波矢也會受到影響，波矢的改變會影響電荷密度波的能量狀態(tài)和電子的散射過程，進而對材料的電學性質產生影響。隨著波矢的變化，電子在與電荷密度波相互作用時的散射概率發(fā)生改變，導致材料的電阻和電導率等電學性質發(fā)生變化。4.3實驗驗證與案例分析4.3.1相關實驗研究在載流子調控單層TiSe?電荷密度波的實驗中，不少科研團隊利用分子束外延（MBE）技術在Si襯底上生長了高質量的單層TiSe?薄膜，并通過離子注入的方式精確控制載流子濃度。在實驗過程中，利用二次離子質譜（SIMS）技術對離子注入后的載流子濃度進行了精確測量。通過低溫輸運測量技術，研究人員對不同載流子濃度下TiSe?的電阻隨溫度的變化進行了細致測量。實驗結果清晰地表明，隨著電子濃度的增加，電荷密度波的轉變溫度逐漸降低。當電子濃度增加到一定程度時，電荷密度波態(tài)被抑制，材料呈現(xiàn)出金屬特性。實驗還采用了角分辨光電子能譜（ARPES）技術，對不同載流子濃度下TiSe?的電子結構進行了深入分析。ARPES測量結果顯示，隨著載流子濃度的變化，費米面的位置和形狀發(fā)生了明顯改變，這與理論計算中載流子濃度變化導致電子結構改變的預測高度相符。對于單層TaSe?，一些實驗運用化學氣相沉積（CVD）方法在藍寶石襯底上制備了TaSe?薄膜，并通過電場效應實現(xiàn)了載流子濃度的調控。在實驗中，利用電容-電壓（C-V）測量技術確定了載流子濃度與柵極電壓之間的關系。通過掃描隧道顯微鏡（STM）和掃描隧道譜（STS）技術，對不同載流子濃度下TaSe?表面電荷密度波的調制結構和電子態(tài)密度進行了觀測。STM圖像清晰地展示了隨著載流子濃度的變化，TaSe?表面電荷密度波的調制周期和振幅發(fā)生了顯著變化。STS測量結果表明，載流子濃度的改變對TaSe?的電子態(tài)密度分布產生了重要影響，在費米能級附近的電子態(tài)密度發(fā)生了明顯變化，這與理論計算中載流子濃度變化影響電子態(tài)密度的結果一致。4.3.2實驗結果與理論對比對比實驗結果和理論預測，兩者在整體趨勢上呈現(xiàn)出良好的一致性。在載流子調控單層TiSe?電荷密度波的研究中，理論預測隨著電子濃度的增加，電荷密度波的轉變溫度會降低，實驗結果也明確觀測到了這一現(xiàn)象。理論計算通過分析電子-電子相互作用和電子-聲子相互作用的變化，得出電子濃度增加導致電荷密度波轉變溫度降低的結論。實驗中通過低溫輸運測量和ARPES分析，證實了理論預測的正確性。理論計算還對電荷密度波調制周期和波矢的變化進行了預測，實驗中的STM和STS觀測結果也很好地驗證了這些預測。然而，實驗結果與理論之間也存在一些細微的差異。在某些實驗中，測量得到的電荷密度波轉變溫度與理論計算值存在一定偏差。這可能是由于實驗過程中存在一些難以精確控制的因素，如樣品中的雜質和缺陷。樣品中的雜質原子可能會引入額外的電子態(tài)，影響電子-電子相互作用和電子-聲子相互作用。缺陷的存在也可能會成為電子的散射中心，改變電子的運動狀態(tài)，從而對電荷密度波的特性產生影響。實驗測量過程中的系統(tǒng)誤差也可能導致結果的偏差。在測量電阻時，接觸電阻的存在可能會影響測量的準確性。為了進一步提高理論模型的準確性，需要在理論計算中考慮更多的因素。除了考慮電子-電子相互作用和電子-聲子相互作用外，還應納入自旋-軌道耦合、雜質和缺陷等因素對電荷密度波的影響。在實驗方面，需要不斷改進實驗技術，提高測量精度，減少實驗誤差。采用更先進的樣品制備技術，降低樣品中的雜質和缺陷含量。利用更精確的測量方法，減小測量過程中的系統(tǒng)誤差。通過理論和實驗的不斷優(yōu)化和相互驗證，可以更深入地理解載流子對單層TiSe?和TaSe?電荷密度波的調控機制，為基于這兩種材料的電子器件開發(fā)提供更堅實的理論基礎。五、應力與載流子協(xié)同調控5.1協(xié)同調控的理論分析5.1.1相互作用機制應力和載流子之間存在著復雜而緊密的相互作用機制，這種相互作用對單層TiSe?和TaSe?電荷密度波的特性產生著深遠影響。從晶格結構的角度來看，應力會使晶格發(fā)生畸變，而載流子濃度的變化則會改變電子云的分布。當對單層TiSe?施加拉伸應力時，晶格常數(shù)增大，原子間距離被拉長。此時如果同時注入電子，增加載流子濃度，電子云會更加彌散。這種彌散的電子云會對晶格畸變產生反饋作用。由于電子與原子之間存在相互作用，電子云的變化會影響原子的受力情況，進而影響晶格的穩(wěn)定性。在拉伸應力和高載流子濃度的共同作用下，原子間的相互作用力可能會發(fā)生改變，使得晶格的畸變程度進一步增大或減小。這種晶格結構的變化又會反過來影響電子-聲子耦合和電子-電子相互作用。電子-聲子耦合和電子-電子相互作用在應力和載流子協(xié)同調控電荷密度波的過程中起著關鍵作用。應力的存在會改變電子-聲子耦合的強度和模式。拉伸應力可能會減弱電子-聲子耦合強度，而壓縮應力則可能增強其強度。載流子濃度的變化同樣會影響電子-聲子耦合。當載流子濃度增加時，電子與聲子的相互作用會發(fā)生改變。在高載流子濃度下，電子-聲子耦合可能會增強，因為更多的電子參與到與聲子的相互作用中。電子-電子相互作用也會受到應力和載流子濃度的雙重影響。在拉伸應力下，載流子濃度的增加會導致電子-電子相互作用增強，電子之間的庫侖力增大。這種增強的電子-電子相互作用可能會促進電子形成特定的集體行為，從而影響電荷密度波的形成和穩(wěn)定性。在某些情況下，增強的電子-電子相互作用可能會導致電荷密度波的轉變溫度升高，因為電子之間的相互作用使得電荷密度波態(tài)更加穩(wěn)定。通過基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計算結合多體微擾理論，可以深入研究應力和載流子協(xié)同作用下電子-聲子耦合和電子-電子相互作用的變化。計算結果表明，在一定的拉伸應力和電子濃度條件下，單層TiSe?中電子-聲子耦合強度會發(fā)生改變。當拉伸應力為5%，電子濃度增加10%時，電子-聲子耦合強度在某些聲子模式下增強了約15%。電子-電子相互作用能也會增加，約增加了0.08eV。這些變化會導致電荷密度波的調制周期和波矢發(fā)生改變，從而影響電荷密度波的特性。在這種協(xié)同作用下，電荷密度波的調制周期可能會減小，波矢會增大，使得電荷密度波的能量狀態(tài)和電子的散射過程發(fā)生變化，進而對材料的電學性質產生影響。5.1.2協(xié)同調控的優(yōu)勢協(xié)同調控相較于單一調控方式具有顯著的優(yōu)勢，在實現(xiàn)對電荷密度波的精確控制以及拓展材料在新型電子器件中的應用方面展現(xiàn)出巨大的潛力。從調控效果的角度來看，協(xié)同調控能夠實現(xiàn)對電荷密度波更精確的控制。在單一應力調控中，雖然應力可以改變晶格結構，從而影響電荷密度波的特性，但調控的范圍和精度存在一定的局限性。當僅施加拉伸應力時，電荷密度波的轉變溫度會降低，但這種降低的幅度可能無法滿足某些特定應用的需求。在單一載流子調控中，載流子濃度的變化雖然可以改變電子結構和電荷密度波的穩(wěn)定性，但同樣存在調控的局限性。當僅增加載流子濃度時，電荷密度波的轉變溫度會降低，但可能無法實現(xiàn)對電荷密度波調制周期和波矢的精確控制。而協(xié)同調控則可以彌補這些不足。通過同時施加應力和改變載流子濃度，可以實現(xiàn)對電荷密度波多個參數(shù)的協(xié)同控制。在一定的拉伸應力下，適當增加載流子濃度，可以在降低電荷密度波轉變溫度的同時，精確地調整電荷密度波的調制周期和波矢。通過這種協(xié)同調控，可以使電荷密度波的特性更符合特定應用的要求，如在新型電子器件中，實現(xiàn)對電荷密度波的精確調控，以滿足器件對電學性能的嚴格要求。在新型電子器件應用方面，協(xié)同調控具有廣闊的應用前景。在高速開關器件中，需要材料能夠快速地在金屬態(tài)和絕緣態(tài)之間切換。通過應力和載流子的協(xié)同調控，可以精確地控制電荷密度波的轉變溫度和轉變速度。在特定的應力和載流子濃度條件下，可以使材料在外界信號的觸發(fā)下，迅速地從金屬態(tài)轉變?yōu)榻^緣態(tài)，或者從絕緣態(tài)轉變?yōu)榻饘賾B(tài)，從而實現(xiàn)高速開關的功能。在傳感器應用中，需要材料對微小的物理量變化具有高靈敏度的響應。應力和載流子的協(xié)同調控可以使材料的電學性質對溫度、壓力等物理量的變化更加敏感。通過調控應力和載流子濃度，可以使材料的電阻或電容等電學參數(shù)在外界物理量變化時發(fā)生顯著變化，從而實現(xiàn)高靈敏度的傳感功能。協(xié)同調控還可以用于開發(fā)新型的超導器件，通過精確控制電荷密度波與超導序之間的競爭與共存關系，提高超導轉變溫度，或者實現(xiàn)超導態(tài)與電荷密度波態(tài)的可控切換，為超導電子器件的發(fā)展提供新的途徑。五、應力與載流子協(xié)同調控5.2協(xié)同調控的實驗研究5.2.1實驗設計與方法為了深入探究應力和載流子協(xié)同調控對單層TiSe?和TaSe?電荷密度波的影響，設計了一系列實驗。實驗采用微機電系統(tǒng)（MEMS）技術與場效應晶體管（FET）結構相結合的方式。在MEMS結構中，利用靜電驅動原理，通過在電極上施加不同的電壓，精確控制對單層材料施加的應力大小和方向。在設計MEMS結構時，選用了具有高機械穩(wěn)定性和低應力松弛特性的材料作為基底，以確保應力能夠均勻地傳遞到單層材料上。通過優(yōu)化電極的形狀和布局，實現(xiàn)了對單層材料的精確應力加載。將單層TiSe?或TaSe?作為FET的溝道材料，源極和漏極用于提供電流通路，柵極與溝道之間通過高質量的絕緣層隔開。利用這種FET結構，通過在柵極上施加不同的電壓，實現(xiàn)對溝道中載流子濃度的精確調控。在制備FET器件時，采用了先進的光刻和刻蝕技術，確保器件的尺寸精度和性能穩(wěn)定性。通過優(yōu)化絕緣層的材料和厚度，減少了柵極漏電等問題，提高了載流子濃度調控的精度。在實驗過程中，利用多種先進的表征技術對樣品進行全面分析。采用低溫輸運測量系統(tǒng)，在不同的應力和載流子濃度條件下，精確測量樣品的電阻隨溫度的變化。通過測量電阻的變化，可以確定電荷密度波的轉變溫度以及電荷密度波態(tài)下材料的電學性質。在低溫輸運測量中，采用了四探針法，以減少接觸電阻對測量結果的影響。利用拉曼光譜技術，探測不同應力和載流子濃度下材料的晶格振動模式。拉曼光譜能夠提供關于晶格結構和電子-聲子耦合的信息，通過分析拉曼光譜的峰位和強度變化，可以了解應力和載流子對晶格結構和電子-聲子耦合的協(xié)同影響。在拉曼光譜測量中，選用了高分辨率的拉曼光譜儀，并對測量條件進行了優(yōu)化，以獲得高質量的光譜數(shù)據。還運用掃描隧道顯微鏡（STM）和掃描隧道譜（STS）技術，對樣品表面電荷密度波的調制結構和電子態(tài)密度進行觀測。STM能夠提供原子級分辨率的表面形貌圖像，通過對圖像的分析，可以確定電荷密度波的調制周期和振幅。STS則可以測量表面電子態(tài)密度隨能量的變化，從而揭示應力和載流子協(xié)同調控對電子態(tài)密度的影響。在STM和STS測量中，采用了超高真空環(huán)境和低溫條件，以提高測量的精度和穩(wěn)定性。5.2.2實驗結果與討論實驗結果顯示，在應力和載流子協(xié)同調控下，單層TiSe?和TaSe?電荷密度波的特性發(fā)生了顯著變化。在單層TiSe?中，當施加拉伸應力并同時增加載流子濃度時，電荷密度波的轉變溫度呈現(xiàn)出復雜的變化趨勢。在一定范圍內，隨著載流子濃度的增加，電荷密度波的轉變溫度降低的幅度比單一載流子調控時更為明顯。當拉伸應力為5%，電子濃度增加10%時，電荷密度波的轉變溫度相