光驱动铜硒异质结构层间原子迁移诱导半导体-金属表面重构及其可逆转换机制研究

研究人员针对传统光诱导半导体-金属转变(PSMT)局限于同种材料相变的瓶颈，通过原子尺度表征揭示了Cu2Se/Cu(111)异质结构中光致Se原子下沉与Cu原子上浮的层间迁移机制，实现了跨材料体系的PSMT可逆转换。该发现为表面工程和光电器件设计提供了全新思路。

　　

在光电功能材料领域，光诱导半导体-金属转变(PSMT)因其在信息存储、光学开关等领域的应用前景而备受关注。然而长期以来，所有报道的PSMT都局限于同种材料不同相态间的转换，且缺乏原子尺度的直接证据。更关键的是，传统PSMT往往具有瞬时性，难以实现稳定的状态维持。这些根本性局限严重制约了PSMT材料的实际应用。针对这些挑战，中国的研究团队在《Nature Communications》发表突破性研究，首次在Cu_{2Se/Cu(111)异质结构体系中实现了跨材料体系的PSMT，并揭示了光驱动层间原子迁移的全新机制。}

研究采用扫描隧道显微镜(STM)与密度泛函理论(DFT)计算相结合的方法。通过超高真空条件下Cu(111)表面硒化制备单层Cu₂Se，利用汞灯(365 nm)进行光激发，采用变温STM追踪表面结构演变，结合X射线光电子能谱(XPS)验证化学组成，通过CI-NEB方法计算势能面。

【结果与讨论】
形成Cu₂Se单层膜
室温硒化处理后的Cu(111)表面形成具有17 ?周期条纹的Moire图案。XPS证实Cu₂Se形成，STM显示Se原子构成最外层，DFT计算显示Se原子比表面Cu原子高1.0 ?。

光诱导Cu₂Se-Cu转变
光照120分钟后表面完全转变为Cu(111)结构。STS显示费米能级附近出现金属态特征。DFT揭示新结构为Cu表层-Cu₂Se夹层-Cu基底的三明治构型，Se原子获得-0.44 e电荷。对照实验排除了纯热效应的主导作用。

热激活Cu-Cu₂Se恢复
373 K退火出现混合相，473 K完全恢复初始结构。该可逆转换可循环多次，证实Se原子在表层与次表层间的迁移可控性。

转变路径计算
CI-NEB计算显示：基态转变势垒2.7 eV，而激发态(电子密度≥1.4×10²² cm^-3)降至0.61 eV。光激发使Cu-Se反键态占据，键长拉伸驱动Se原子下沉。吸收光谱显示初始态在2.6-4.0 eV区间吸收更强。

该研究首次实现了异质材料间的PSMT，揭示了光致层间原子迁移的新机制。通过精确控制Se原子的垂直位置，实现了表面电子结构在半导体与金属态间的可逆切换。这一发现突破了传统PSMT的材料限制，为开发新型光响应材料提供了全新范式。在信息加密存储、光控催化等领域具有重要应用价值，同时为表面重构研究开辟了光调控的新维度。