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二維錫烯拓撲材料研究取得重要進展

時間:2018-11-06 07:13:24 來源:合肥微尺度物質科學國家研究中心

  近日,中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心王兵教授和趙愛迪副教授研究團隊與清華大學徐勇助理教授、段文暉教授以及美國斯坦福大學張首晟教授合作,成功制備出具有純平蜂窩結構的單層錫烯,并結合第一性原理計算證實了其存在拓撲能帶反轉及拓撲邊界態。相關研究成果11月5日在線發表在《Nature Materials》雜志上(https://doi.org/10.1038/s41563-018-0203-5)。

  類石墨烯結構的IV族元素二維晶體材料及其物性研究,是當前凝聚態物理學和材料科學領域的重要焦點。其中,基于元素錫(Sn)的二維類石墨烯晶體錫烯(Stanene)因其具有很強的電子自旋-軌道耦合,被認為是繼石墨烯后又一種具有優越物理性質的新型量子材料。2013年前后理論物理學家們預言,錫烯中由于pxy軌道具有遠強于pz軌道的自旋軌道耦合效應,因此s-p軌道的能帶反轉可以在布里淵區中心打開數百毫電子伏的巨大能隙;更巧妙的是,由于pxy軌道是平面內的,所以其拓撲性更為魯棒,不易受到襯底和吸附物的影響和破壞。因此,錫烯是一種理想的大能隙二維拓撲絕緣體,有望實現室溫量子自旋霍爾效應,在拓撲電子學器件應用方面具有重要的意義。理論同時還預言了錫烯有可能被調控實現拓撲超導態、優越的熱電效應、近室溫的量子反?;魻栃刃缕嫣匦?。過去幾年中,國內外多個研究組在不同的襯底表面制備了單層錫烯,但由于受襯底影響,這些已制備出的錫烯都具有非平面的翹曲結構且均未表現出拓撲物性。如何制備出具有拓撲特性的錫烯,成為二維類石墨烯材料物性研究亟待突破的重要難題。

  經過近三年反復摸索,中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心的王兵教授和趙愛迪副教授帶領的實驗研究團隊與清華大學徐勇助理教授、段文暉教授以及美國斯坦福大學張首晟教授合作,利用低溫分子束外延技術成功制備出了具有拉伸晶格結構的單層錫烯。該研究工作首次發現單層錫烯可以表現出與石墨烯完全一致的平面蜂窩狀結構,其單胞中AB位原子無高度差,形成理想的純平六角蜂窩晶格,為碳基石墨烯家族添加了錫基成員。實驗中觀測到純平錫烯的化學惰性以及缺陷結構,也證實了其與碳基石墨烯具有諸多相似性,有望為平面蜂窩結構的材料提供新的研究平臺。更為重要的是,由于襯底的外延作用,這一純平錫烯的晶格常數高達0.51納米,故存在因晶格拉伸導致的s-p軌道拓撲能帶反轉,即具有拓撲特性。超高真空掃描隧道顯微學以及角分辨光電子能譜學結果與第一性原理計算的能態結構一致,充分證實了其由于自旋-軌道耦合和拓撲能帶反轉所導致的拓撲能隙以及拓撲邊界電子態。其中,角分辨光電子能譜結果表明,錫烯由于自旋軌道耦合打開的拓撲能隙約0.3電子伏特,遠超室溫熱漲落能量,使其具備應用于近室溫的拓撲量子器件的潛質。進一步的理論計算還預言了在純平蜂窩結構的鍺烯和鉛烯中也存在類似的拓撲特性,從而構成了一類新型的二維拓撲量子材料家族。

純平蜂窩結構錫烯的制備和原子尺度形貌圖(1-3)、結構模型(4-5)、理論計算(6)和實驗觀測到的電子能帶結構(7-8)。


  具有拓撲能帶反轉和大拓撲能隙的純平錫烯的實驗實現,為類石墨烯的拓撲物性研究開辟了一條新的研究路線,將對二維量子材料的研究和應用開發起到重要推動作用。后續擬開展的研究工作將通過優化襯底和增加柵極以隔絕襯底電子相互作用并實現拓撲能隙的調控,為最終制備可實用的室溫拓撲器件提供研究基礎。

  中國科大博士生鄧家良、清華大學博士生夏炳煜以及中國科大博士生馬曉川為論文的共同第一作者。此項研究得到了科技部、教育部、中組部、國家自然科學基金委、中國科學技術大學、清華大學等機構的大力支持。

  《Nature Materials》論文鏈接:
https://doi.org/10.1038/s41563-018-0203-5

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