石墨烯及相关低维体系中的新物理

对低维电子体系的研究一直是凝聚态物理领域新发现的一个重要来源。以石墨烯为代表的新型低维体系的出现是近几年中一个突破，其中优美而深刻的物理以及独有的材料特性在基础物理和实际应用上都有重要的意义。在本项目中，我们将通过尖端微纳制造工艺构造新颖石墨烯器件结构，利用极低温度和超强磁场中的量子输运测量和低温超高真空扫描探针显微（SPM）技术来全方位研究高品质石墨烯在极端条件下的本征量子行为，探索石墨烯中特有的等效相对论效应在电子-电子相互作用起主导作用时引致的新奇量子态，以及新型石墨烯器件在空间尺寸、应力、光场、电场等多种调控手段下的量子输运现象。在此基础上我们将把研究拓展到其它的层状的低维电子系统，探索多种量子序诱导的新物理，以期对低维体系的量子输运有全面深入的理解。我们同时还将研究新的量子调控的机理，为新型量子器件在信息的传输、存储和处理上的应用提供有益的线索。

在项目执行的过去四年里，我们成功达到了项目的目标，部分原创性的成果甚至好于预期。具体来说，我们的主要成果有：1）在国际上首次提出了新型二维半导体材料黑磷，成功制备了基于黑磷的场效应晶体管，并得到了优异的器件性能参数。这项成果开启了黑磷这一新的方向，吸引了国际上众多研究组跟进黑磷的研究。2）强关联二维晶体1T-TaS2中的可控相变。我们发现1T-TaS2二维材料中的电荷密度波可以通过改变样品的维度（厚度）来进行调控。我们并且发展了一个全新的电荷调控的实验方法：通过门电压对层状样品进行可控的锂插层，可以把样品电子浓度调控到前所未有的水平。利用这个新方法，我们观测到1T-TaS2二维材料中的电荷密度波以及超导相对电子浓度及其敏感，从而首次得到了1T-TaS2的完整相图。我们以上的这些成果大大拓展了现有的二维材料体系，加深了我们对二维材料的理解，增强了对它们的调控能力。