武汉大学&中国人民大学&中国科学院大学Nano Lett.:原子级薄 InTe 中的低有效质量二维电子气

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成果介绍

二维电子气（Two-Dimensional Electron Gas, 2DEG）的发现不仅推动了凝聚态物理的发展，也为高速电子器件奠定了基础。通常，二维电子气可在氧化物界面（如 LaAlO₃/SrTiO₃）、III–V 族量子阱体系（Quantum-Well Systems, QWSs）或贵金属表面中实现。其典型特征是电子被限制在二维平面内运动，并形成具有抛物线型色散（Parabolic Dispersion）的子带，为研究量子霍尔效应（Quantum Hall Effect）、磁性和超导等基本量子现象提供了重要平台。然而，在单一原子级薄二维半导体（2D Semiconductor）中直接观测高质量二维电子气，仍具有较大挑战。相比广泛研究的硒化铟（InSe），碲化铟（InTe）具有更小的带隙、更强的自旋轨道耦合（Spin-Orbit Coupling, SOC），且理论预言其具有更低的电子有效质量（Electron Effective Mass），因而在可见光探测、自旋电子学和纳米电子学（Nanoelectronics）中更具潜力。但此前，原子级薄层 InTe 中二维电子气的存在及其有效质量尚缺乏直接实验证据。

有鉴于此，武汉大学张晨栋教授、张帆教授、中国人民大学季威教授、中国科学院大学周武教授合作，利用分子束外延（Molecular Beam Epitaxy, MBE）制备了高质量单层和双层InTe 薄膜，并结合扫描隧道显微镜（STM）与准粒子干涉（Quasiparticle Interference, QPI）成像，直接证实了其中二维电子气的存在。研究团队通过能量依赖的驻波图样（Standing-Wave Patterns）解析出导带的抛物线型色散，并定量获得单层 InTe 的电子有效质量（0.241mₑ），低于单层 InSe/BLG 的有效质量（0.27mₑ）。在双层 InTe 中，层间耦合（Interlayer Coupling）打破导带边简并，形成两个有效质量不同的子带，其有效质量分别为 0.197mₑ 和 0.802mₑ。密度泛函理论（DFT）计算与实验结果吻合，进一步支持原子级薄 InTe 是研究低维电子物理和发展纳米电子器件的潜力平台。

图文导读

图 1：原子级薄 InTe 的 MBE 生长、结构与电子性质表征。(a) InTe 的球棍模型：侧视图（上）和顶视图（下），红色菱形标出原胞。(b) 生长在双层石墨烯（BLG）上的 InTe STM 形貌图，插图为沿白色箭头的高度剖面。(c) 单层 InTe 的原子分辨 STM 图像，显示表面 Te 原子的六角晶格。(d) In 3d 和 Te 3d能级的 XPS 能谱。(e) 单层 InTe/BLG 的横截面 STEM 图像，并叠加结构模型。(f) 单层和双层 InTe 的典型 dI/dV 谱（对数坐标），标出价带顶（VBM）和导带底（CBM），单层与双层带隙分别约为 2.00 eV 和 1.80 eV。

图 2：单层 InTe 中能量依赖的电子驻波。(a–h) 在单层岛边缘附近采集的一系列 dI/dV 成像图，样品偏压为 1.10–1.50 V，显示明显的偏压依赖驻波。(i) 沿 (a–h) 中红色箭头提取的dI/dV 线剖面，展示驻波波长随偏压升高而减小；三角形标记驻波峰位置。

图 3：单层和双层 InTe 导带的抛物线型色散及低有效质量二维电子气。(a, b) 单层和双层 InTe 岛边缘附近的 STM 形貌图。(c, d) 沿 (a) 和 (b) 中红色箭头采集的空间分辨线谱，显示清晰驻波图样；图中采用 d²I/dV² 处理以增强对比度。(e, f) 空间分辨 dI/dV 线谱的傅里叶变换（FT），给出导带的能量–动量（E–k）色散，黑色和红色虚线为视觉引导线。(g) 从 dI/dV 线谱提取的 E–k 关系，与抛物线拟合高度吻合。

图 4：DFT 计算得到的单层和双层 InTe 能带结构。(a) 单层 InTe；(b) 双层 InTe。图中标出相应带隙及子带间分裂能量（Δinter）。计算采用改进 Becke–Johnson（mBJ）交换势，以更好匹配实验结果

结论与展望

综上，本研究通过分子束外延制备了高质量单层和双层 InTe 薄膜，并结合 STM/STS 与 QPI 成像，为原子级薄 InTe 中形成的二维电子气提供了直接实验和理论证据。研究直接观测到导带的抛物线型色散，并获得关键电子结构参数：单层 InTe 带隙约为 2.0 eV，面内电子有效质量为 0.241mₑ，表现出较轻的载流子有效质量。进一步地，研究揭示了 InTe 层数依赖的能带结构：在双层 InTe 中，层间耦合诱导导带子带劈裂，并进一步降低下子带有效质量，体现其电子性质的可调控性。同时，Te 原子的强自旋轨道耦合与二维电子气特性相结合，为探索自旋相关量子现象和相对论效应驱动的能带调控提供了新的材料平台。该工作不仅确立了原子级薄层 InTe 在 III–VI 族半导体中的独特地位，也为其未来集成于先进量子器件和纳米电子器件提供了基础电子结构框架。

文献信息

Direct Observation of Two-Dimensional Electron Gas with Low Effective Mass in Atomically Thin InTe

(Nano Lett., 2026, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6c00793)

文献链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6c00793