Commensurate Stacking Phase Transitions in an Intercalated Transition Metal Dichalcogenide
过渡金属二硫化物(TMDCs)具有丰富的结构类型和化学组成，是探索量子衍生现象的有趣载体，能够孕育电荷密度波(CDW)、Ising超导电性、量子自旋霍尔绝缘体等新奇量子物态。TMDCs的层间相互作用(范德瓦耳斯力)较弱，较容易通过插层客体原子或集团对其进行量子调控，如Pb插层的112相PbTaSe2表现拓扑超导电性[1-2]。另一方面，利用人工层间堆垛方式调节，人们观察到TMDCs摩尔超晶格结构，并探测到一系列平带色散关系和拓扑相等新奇物相[3-4]。尽管两种调控方式已为TMDCs带来丰富物相和诸多潜在应用前景，它们的可能性远未被充分探索。
最近浙江大学许祝安课题组、西湖大学林效课题组和上海大学鲍金科及德国拜罗伊特大学Sander van Smaalen课题组合作，在晶格失配化合物晶体可控生长的研究基础上[5-6]，首次预测并成功合成了TMDCs的金属原子高阶插层化合物：124相Pb(TaSe2)2 (简称Pb-124)(图1)。详细物性测量表明该化合物在230 K附近存在基于堆垛自由度的两步连续、公度、可逆一级结构相变(图2)，明显区别于传统TMDCs材料中的CDW转变。
利用同步辐射单晶X射线衍射技术，研究人员成功解析出不同温区下各相的原子结构，并对其结构相变的微观机制进行了详细研究(图3)。该堆垛相变不改变[Pb(TaSe2)2]模块层内原子分布，只涉及模块间的相对连续滑移，滑移基矢为[1/3,2/3,0]，表明相变是罕见的公度平移相变。相变发生时，Pb-124由高温R3m相/ABC堆垛排列结构过渡为中间P3m1相/AB排列，最终转变为低温ACB排列，但仍为R3m结构，与高温相一致。文章指出Pb层和TaSe2层间的电荷转移是相变发生的内在原因。值得注意的是，在相变附近，Pb-124拥有巨大的负热膨胀效应，可能存在潜在应用。另外 Pb-124还是非中心对称超导体（Tc ≈1.8 K），能带计算预测该体系具有拓扑电子结构，可能为研究马约拉纳费米子提供平台(图4)。
总而言之，该工作不仅丰富了人们对TMDCs体系结构相变多样性的理解，还为堆栈调控提供新的思路，更会促进高阶插层材料的构筑和拓扑物相的探索。
该研究相关成果于2020年12月6日在线发表在Advanced Materials上 (DOI: 10.1002/adma.202108550)。浙江大学许祝安教授，西湖大学林效研究员和德国拜罗伊特大学Sander van Smaalen 教授是本文的共同通讯作者，博士后杨小慧、洪堡学者鲍金科和博士生娄哲丰是本文的共同第一作者。该项研究的主要合作者还包括浙江大学曹光旱教授和刘洋教授、南京大学聂越峰教授、西湖大学李文彬研究员和浙江工业大学孙土来研究员等。该研究工作得到了科技部重点研发专项、国家自然科学基金、浙江省省自然科学基金、西湖大学交叉学科初创中心项目的支持。
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202108550
图1. 气相输运法生长Pb-Ta-Se相关单晶的示意图。
图2. Pb-(TaSe2)2材料的原子结构以及基本物性测量：高分辨透射电镜图、电阻率、热导率、热电势、霍尔系数以及DSC差热分析结果。
图3. 不同温度下的同步辐射单晶XRD的衍射图以及结构相变的微观示意图。
图4. 高温相I、中间相II和低温相III中的拓扑能带结构，以及中间相II中哑铃状和四面体配位的平面平均差分电荷密度图。
参考文献：
[1] S.-Y. Guan et. al, Sci, Adv. 2, e1600894 (2016)
[2] G. Bian et. al, Nat. Commun. 7, 10556 (2016)
[3] Z. Zhang et. al, Nat. Phys. 16, 1093 (2020)
[4] L. Wang et. al, Nat. Mater. 19, 861 (2020)
[5] X. Yang et. al, Supercond. Sci. Technol. 31, 125010 (2018)
[6] X. Yang et. al, 125010, EPL, 128, 17004 (2019)
