近日，北京量子信息科学研究院与北京大学共建的徐洪起教授团队联合中国科学院物理研究所的张建军课题组等合作者，利用分子束外延生长出新型层状螺旋锑烯材料，并利用原位扫描隧道显微镜研究了该材料的应力效应。实现了扫描隧道显微镜针尖对螺旋锑烯中残余应力的调控，观察到了由此诱导出的表面电子态密度分布及表面功函数的变化。2023年4月24日，相关研究成果以“Strain Effects in Twisted Spiral Antimonene”为题，在线发表于Advanced Science上。

范德华堆叠的层状材料近年来引起了人们极大的研究兴趣。原子在平面内以共价键结合，形成单个或几个原子厚度的层状二维材料，各层在垂直方向上则通过范德华力结合在一起。通过施加层间转角或应力来调控层间耦合，使材料具有奇异的物理性质，是当前层状二维材料一个重要研究方向。以多层石墨烯为例，特定的层间转角与应力状态能使其涌现出量子反常霍尔态、超导电性等丰富的物理现象。

近日，北京量子信息科学研究院与北京大学共建的徐洪起教授团队联合中国科学院物理研究所的张建军研究员等合作者，利用分子束外延技术生长出了一种新型层状材料：螺旋锑烯（spiral antimonene）。其结构为横向尺度在数百纳米，厚度在数纳米，且自下至上被一条螺位错贯穿的多层锑烯。与传统层状材料不同的是，螺位错螺旋向上将锑烯各层连接在了一起，层间相互作用和面内相互作用不再相互独立，材料展现出丰富的应力效应（如图1所示）。

图1 螺旋锑烯的形貌，及残余应力引起的层间转角和晶格畸变

图2  扫描隧道显微镜针尖对残余应力的调控，及其诱导的功函数、表面电子态密度分布调制

研究人员发现螺位错邻域内存在各向异性的残余应力，这些应力会对材料结构与物理性质产生影响。通过扫描隧道显微镜表征，在螺旋锑烯中观测到了自发形成的2.3^o至3.3^o层间转角。通过表征锑烯表面的准粒子干涉图样，观测到了表面电子弹性散射的面内各向异性。

研究者还利用扫描隧道显微镜针尖产生的作用力，对螺旋锑烯中的残余应力进行调控（如图2）。在原位状态下实现了对顶层锑烯约1^o的转角调控，并通过针尖操控改变了螺旋锑烯的层间耦合强度，实现了对材料表面电子态密度分布的调制，演示了费米能附近电子态在针尖操控下的涌现与消失。材料层间耦合强度的变化还会导致表面功函数的变化，研究者通过针尖操控实现了对螺旋锑烯功函数的数百毫电子伏量级的调控。该项工作为层状材料中穿透位错与应力效应研究提供了新的思路，在开发新型压电功能器件中具有潜在应用。

北京量子院与北京大学联合培养博士后黄鼎铭为以上研究成果第一作者与共同通讯作者。徐洪起教授和张建军研究员为共同通讯作者。合作者还包括北京理工大学武旭教授、王业亮教授，北京量子院常凯研究员，西安交大胡昊教授。该工作得到了国家自然科学基金等项目的支持。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202301326