Moiré superlattices arising from growth induced by screw dislocations in layered materials

Fuyu Tian(田伏钰), Muhammad Faizan, Xin He(贺欣), Yuanhui Sun(孙远慧), and Lijun Zhang(张立军)

Chin. Phys. B, 2024, 33 (7):  077403

莫尔超晶格是通过在同种层状材料中形成层间转角或者堆叠不同晶格参数的层状材料来实现。所形成的比原始周期单元更大的新周期单元会引入新的周期势场，影响其电子能带结构，并衍生出一系列新奇的物理现象。常用的通过堆叠机械剥离的单层来构建莫尔超晶格的方法，存在转角难控制、界面污染和样品均匀性/尺寸限制等问题，如何丰富莫尔超晶格的构建方法并实现独特的光电性能是该领域的重要挑战。

本研究提出利用螺旋位错驱动的生长策略，构建恒定层间距离的二维莫尔超晶格，并理论预测该策略可在SnS₂莫尔超晶格中实现0.4 eV的带隙调控。该工作的创新性在于：（1）提出螺旋位错驱动生长的二维莫尔超晶格可以实现恒定层间距离的材料生长，增强局部区域的层间耦合作用；（2）提出拼接局部原子结构的策略，近似得到莫尔超晶格结构的整体性质，有效避免了密度泛函理论方法难以开展大体系研究的问题；（3）基于密度泛函理论计算，预测在SnS₂莫尔超晶格中可以实现0.4 eV的带隙调控以及最大20%的光学活性提升。

我们提出的通过螺旋位错驱动小角度莫尔超晶格生长的策略，为在更多种类的二维层状材料中构建摩尔超晶格提供了新的思路。

Fig. 3. Electronic properties of SnS₂ spiral bilayer MSL. (a) Spatially resolved band gaps of SnS₂ MSL. (b)–(i) Calculated band structures of crucial stacking patterns along path IV. The band structures have been projected onto atomic orbitals with the weight of the out-of-plane S-pz and the in-plane S-px/y orbitals. (j) Evolution of band gaps for the local stacking structures along path IV.

Observation of parabolic electron bands on superconductor LaRu₂As₂

Xingtai Zhou(周兴泰), Geng Li(李更), Lulu Pan(潘禄禄), Zichao Chen(陈子超), Meng Li(李萌), Yanhao Shi(时延昊), Haitao Yang(杨海涛), and Hong-Jun Gao(高鸿钧)

Chin. Phys. B, 2024, 33 (7):  077401

超导体LaRu₂As₂作为基于钌的新型超导材料，具有较高的临界温度~7.8 K，在不含铁的过渡金属磷族化合物中属于佼佼者，其晶体结构类似于ThCr₂Si₂型。尽管其超导性能突出，关于这种新型超导材料的微观研究仍然十分匮乏。为此，本研究利用扫描隧道显微镜/谱技术对LaRu₂As₂的超导性质和表面结构进行了深入探讨。在研究过程中我们发现，LaRu₂As₂晶体在机械解理的情况下存在两种不同的解理面，分别是As表面和La表面。在As表面，我们观察到了具有原子分辨的四方As原子结构，晶格常数与理论一致；在La表面，我们则观察到了由于La原子缺失而导致的线缺陷。在低温（约400 mK）下，我们在两个解理面的扫描隧道谱中都观测到了约1 meV大小的超导能隙，从而验证了材料的超导性质。通过准粒子干涉技术，我们在La原子平面的线缺陷附近观察到了准粒子散射现象，形成的驻波被认为是来自未占据态的两个电子能带的散射效应。

Fig. 3. Scanning tunneling spectra across an atomic missing line defect. (a) STM topography of the La surface with atomic missing line defects. (b) dI/dV line-cut intensity plot along the dashed arrow in panel (a). (c) Waterfall-like plot of panel (b). (d) dI/dV spectra on the surface line defect (green) and away from defects (orange), as marked in panel (a). (e) The band structure obtained by the Fourier transform of panel (b). The two dashed lines outline the electron bands.

Coevolution of superconductivity and Hall coefficient with anisotropic lattice shrinkage in compressed KCa₂Fe₄As₄F₂

Jinyu Han(韩金宇), Wenshan Hong(洪文山), Shu Cai(蔡树), Jinyu Zhao(赵金瑜), Jing Guo(郭静), Yazhou Zhou(周亚洲), Pengyu Wang(王鹏玉), Lixin Cao(曹立新), Huiqian Luo(罗会仟), Shiliang Li(李世亮), Qi Wu(吴奇), and Liling Sun(孙力玲)

Chin. Phys. B, 2024, 33 (7):  077402

自从铁基高温超导体发现以来，目前已发现多种具有不同结构类型的铁超导体，比如LaOFeAs（1111）、Sr₂VO₃FeAs（21311）、FeSe（11）、BaFe₂As₂（122）、CaKFe₄As₄（1144）和KCa₂Fe₄As₄F₂（12442）等。在这些超导体中，1144和12442超导体是具有整数化学计量单位化学构成的超导体。由于无需化学掺杂，避免了由化学掺杂引起的局部结构与非均匀性带来的研究系统的复杂性，因而这类超导体对于揭示高温超导电性产生的微观物理机制具有特殊的研究意义。理解高温超导机理的核心问题之一是超导系统中所包含的各种有效自由度，如电荷、轨道、自旋和晶格等，及其相互作用是如何影响或决定超导电性的。这些相互作用可以通过分析系统的电阻、霍尔系数、晶格常数与结构及价态等可测量参量，及其在压力作用下的变化与演化规律，获得相关重要信息。

本研究的样品KCa₂Fe₄As₄F₂是由CaKFe₄As₄发展而来的，具有KFe₂As和CaFeAsF两种相间层状结构的铁基超导体。本文通过对样品的高压电阻、霍尔系数和X射线衍射等实验测量研究了其超导电性和霍尔系数与各向异性的晶格收缩和结构部分塌陷在压力维度下的演化规律。发现了晶格塌陷导致载流子类型的变化（由空穴型主导转变为电子型主导，即霍尔系数由正到负的变号）和超导转变温度变化的对应关系。这些结果从实验上揭示了压力导致的各向异性变形与晶格塌陷可有效地调制超导系统中多重自由度及相互作用，为理解高温超导机理提供了压力维度的重要信息。

Fig. 4. Coevolution of superconductivity, crystal structure and Hall coefficient in KCa₂Fe₄As₄F₂ under pressures. (a) Pressure–temperature phase transition, revealing a pressure-induced change in T_c. (b) Pressure dependence of lattice parameters a and c, illustrating a pressure-induced half collapsed tetragonal phase transition starting at P_c1 (∼18 GPa) and ending at P_c2 (∼41 GPa). (c) Pressure dependence of Hall coefficient, showing the pressure-induced change from the hole-type carrier to the electron-type one at P_c1, and remaining unchanged at pressure above P_c2.

Absence of BCS-BEC crossover in FeSe_0.45Te_0.55 superconductor

Junjie Jia(贾俊杰), Yadong Gu(谷亚东), Chaohui Yin(殷超辉), Yingjie Shu(束英杰), Yiwen Chen(陈逸雯), Jumin Shi(史聚民), Xing Zhang(张杏), Hao Chen(陈浩), Taimin Miao(苗泰民), Xiaolin Ren(任晓琳), Bo Liang(梁波), Wenpei Zhu(朱文培), Neng Cai(蔡能), Fengfeng Zhang(张丰丰), Shenjin Zhang(张申金), Feng Yang(杨峰), Zhimin Wang(王志敏), Qinjun Peng(彭钦军), Zuyan Xu(许祖彦), Hanqing Mao(毛寒青), Guodong Liu(刘国东), Zhian Ren(任治安), Lin Zhao(赵林), and Xing-Jiang Zhou(周兴江)

Chin. Phys. B, 2024, 33 (7):  077404

弱耦合条件下，BCS(Bardeen–Cooper–Schrieffer)理论成功解释了常规超导；强耦合极限下，玻色子可发生BEC(Bose–Einstein condensation)，凝聚到单一量子态上。非常规超导体属于强关联体系，因此人们认为在非常规超导体中可能存在从BCS到BEC的过渡。此前，ARPES(角分辨光电子能谱) 在超导态FeSe_xTe_1-x布里渊区中心Γ点费米能级附近观察到平带电子结构，认为是BCS-BEC过渡的特征电子结构。

本文利用高分辨率的深紫外激光光电子能谱研究了FeSe_0.45Te_0.55 在Γ点费米能级附近的精细电子结构。文中通过采取不同偏振的激光区分电子结构构成以及轨道属性，并结合温度测量观察电子结构超导前后的演化。结果显示超导态下所谓的平带实际是由体态的dyz轨道和拓扑表面态两个能带共同构成；两个能带可在不同偏振下，单独被测量，且其正常态与超导态能带演化可用BCS理论描述，超导态下所观察到的能带回弯与BCS-BEC过渡预计的能带特征存在明显差别。该文最终排除了FeSe_0.45Te_0.55中存在BCS-BEC 过渡的可能。

Fig. 1. Band structures of FeSe_0.45Te_0.55 measured at 8.7 K along different momentum cuts under three different polarization geometries. (a)–(c) Fermi surface mappings of FeSe_0.45Te_0.55 measured under s-polarization, p-polarization, and c-polarization geometries, respectively. (d1)–(d7), (e1)–(e7), (f1)–(f7) Measured band structures along different momentum cuts. The momentum cuts are represented by the angle θ which is defined by the red lines in panels (a)–(c). The momentum cuts of θ = 0°, 45°, and 90° correspond to the direction of Γ–X, Γ–M, and Γ–Y, respectively.

Critical behavior of quasi-two-dimensional ferromagnet Cr_1.04Te₂

Wei Niu(钮伟), Qin-Xin Song(宋沁心), Shi-Qi Chang(常世琦), Min Wang(王敏), Kui Yuan(袁奎), Jia-Cheng Gao(高嘉程), Shuo Wang(王硕), Zhen-Dong Wang(王振东), Kai-Fei Liu(刘凯斐), Ping Liu(刘萍), Yong-Bing Xu(徐永兵), Xiao-Qian Zhang(张晓倩), and Yong Pu(普勇)

Chin. Phys. B, 2024, 33 (7):  077506

最近，二维磁性材料CrTe₂因其室温铁磁和强垂直磁各向异性而备受关注。同时，Cr原子在生长过程中容易以分数位点占据相邻CrTe₂层间的范德华间隙，形成一系列性质迥异的化合物。临界行为研究提供了样品的重要信息，如空间维度和相互作用范围等，对于更好地理解二维磁性具有重要意义。

本文对准二维铁磁材料Cr_1.04Te₂的基本磁性和临界行为进行了系统的研究和讨论。通过多种方法（包括修正Arrott图、Kouvel-Fisher法、Widom标度法和临界等温分析等）确定了Cr_1.04Te₂的临界指数和相应的三重平均场模型描述的临界行为。在此基础上，构建了Cr_1.04Te₂的三重临界行为的磁相图。本文的研究揭示了准二维铁磁体Cr_1.04Te₂的长程磁性特征，有望拓宽基于二维范德华磁体在开发未来室温自旋电子器件方面的应用范围。

Fig. 5. (a) Scaling plots of the normalized magnetization intensity m versus normalized field h for Cr_1.04Te₂. (b) Renormalized magnetization intensity m² as a function of h/m. The inset is a rescaling of the M–H curve by MH^−1/δ versus εH^−1/(βδ). (c) The log–log scale of the scaling plots below T_C at low magnetic field. (d) The magnetic phase diagram with tricritical phenomenon.

Cryo-EM combined with image deconvolution to determine ZIF-8 crystal structure

Kang Wu(吴抗), Baisong Yang(杨柏松), Wenhua Xue(薛文华), Dapeng Sun(孙大鹏), Binghui Ge(葛炳辉), and Yumei Wang(王玉梅)

Chin. Phys. B, 2024, 33 (7):  076802

金属有机骨架(MOFs)是一种具有可设计的晶体多孔材料，在气体吸附分离、催化和生物纳米载体等方面具有广阔的应用前景。由于 MOFs 在电子束辐照下极不稳定，因此用传统的透射电子显微镜观察该材料十分困难。ZIF-8作为典型的电子束辐照敏感MOF材料，更难实现其实空间显微成像。

本工作利用冷冻电镜探索了电子束辐照敏感材料 ZIF-8 的高分辨成像，并用解卷图像处理方法研究了 ZIF-8 的晶体结构，主要创新点包括：（1）成功实现了对电子束极其敏感的 ZIF-8 的高分辨成像，跟以前报道过的 ZIF-8 高分辨成像文献相比，本工作中 ZIF-8 的分辨率和耐受电子剂量都得到显著提高。（2）通过对 ZIF-8 的电子束辐照研究，发现 300  kV 冷冻电镜成像条件下其耐受电子剂量要大幅领先于 200 kV，辐照电离得到有效缓解，表明 300 kV冷冻电镜是一个更佳的成像选择。另外，本研究还发现在电子束辐照下，ZIF-8 沿[100]方向相比于[111] 方向更耐电子束辐照。（3）借助最大熵方法对实验得到的 ZIF-8 高分辨像进行解卷处理，得到了 ZIF-8 的结构像。在[100]结构像中可以分辨出重原子 Zn 以及咪唑环的位置，在[111]结构像中可以区分出 ZIF-8 中重原子 Zn 的“三联体”结构，以及每一个的相对原子柱位置。

关于电子束辐照敏感材料的高分辨成像研究目前仍处于发展阶段，由于该类材料对电子束极其敏感，实现直接成像十分困难，而冷冻电镜在该领域是一个不可或缺的有力工具。将新兴的冷冻电镜技术与像解卷处理方法结合对于研究电子束辐照敏感材料有重要意义，两者相结合有望应用于更多电子束辐照敏感材料的研究。

Fig. 3. (a) and (b) [100] and [111] cryo-EM images of ZIF-8 with the corresponding FFT patterns in inset. (c) and (d) Magnified images from the yellow rectangular regions in (a) and (b). (e) and (f) Fourier filtered images of (c) and (d). (g) and (h) Symmetry averaged images of (c) and (d).

Fig. 5. (a) and (b) Deconvoluted images from Figs. 3(g) and 3(h) at defocus values 107 nm and −377 nm. The corresponding projected structure model is superimposed in (a) and (b).

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