近期，Physical Review Materials刊发了题为“Layered semiconductorEuTe₄with charge density wave order in square tellurium”的论文。该成果由国家脉冲强磁场科学中心徐刚教授（共同通讯作者）与北京大学王楠林、高鹏教授合作完成，中心研究生仲古月参与了相关计算工作。

电荷密度波（CDW）是低维金属体系中导电电子与晶格的强耦合作用而产生的电子有序态，是凝聚态物理研究的热点方向之一。大多数CDW的形成都是由于费米面嵌套效应驱动的，即电子型费米面与空穴型费米面通过波矢q的嵌套而相互抵消，使体系进入半导体态或绝缘态，从而降低体系的能量，这种现象在一维系统中尤为常见。但对于二维体系来说，费米面嵌套效应很难消除所有的费米面，其CDW相仍然保持金属态，新合成的材料EuTe₄在CDW态下表现出奇异的半导体性质，这为二维CDW体系的进一步研究提供了良好的契机。

EuTe₄是一种新型准二维稀土化合物，其晶体结构如图1a所示，同一层Te原子之间形成方形的网格结构（图1b、1d）。当温度降低以后，X射线晶体分析和透射电子显微镜（TEM）研究表明，面内的Te原子层发生强烈的结构畸变，形成1a*3b的超晶胞结构（图1c、1e），为CDW的形成提供了实验证据，而与温度有关的电荷输运测量（图1f）证实了在Tc=255K附近发生了CDW转变。

图1：（a）EuTe₄的晶体结构。（b）和（c）分别表示畸变前后的Te原子层。（d）和（e）分别表示在273K和95K时EuTe₄的薄微晶沿001方向观察的SADE图像，亮点表示Te原子的位置，低温下形成1a*3b的超晶胞结构。（f）电阻率与温度的变化关系。

该研究中，徐刚和仲古月利用第一性原理计算，揭示了EuTe₄是一个典型的由费米面嵌套驱动的准二维CDW材料。他们计算了室温结构下的投影态密度和能带（图2a、2b），计算结果显示室温结构的EuTe₄具有金属和各向异性的电子结构，其中费米能级附近的电子主要来自Te网格中的p_x p_y轨道。通过计算其费米面（图2c）发现，有两个波矢能够产生较大的费米面嵌套效应，即q=b₁/3和q=b₂/3。细致的林哈德函数计算结果显示（图2d、2e），q=b₂/3波矢处的费米面嵌套不稳定性更为强烈，这与实验上观察到的1a*3b的超晶胞结果完全符合。低温结构下的电子结构（图2f）说明由于费米面的嵌套效应使得费米能级附近的态密度显著降低，这也很好解释了体系在低温下的半导体性质。该成果为CDW驱动的二维半导体机制的研究提供了一个很有前景的系统，这将为探索具有集体电子态的新型二维半导体提供新的思路。

图2：（a）和（b）分别表示室温下EuTe₄的电子态密度和能带结构，其费米面的形状如（c）所示。（d）和（e）分别表示在b₁b₂平面内二维林哈德函数和沿不同波矢方向上的一维林哈德函数。（f）表示EuTe₄低温下的能带结构。

该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划项目的资助。

论文链接：

https://journals.aps.org/prmaterials/abstract/10.1103/PhysRevMaterials.3.024002