【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】拓撲絕緣體的體態(tài)絕緣，但在其表面或邊界處的電子態(tài)可形成無耗散的導(dǎo)電通道，在低功耗電子器件具有極大的潛在應(yīng)用價值而廣受關(guān)注。例如在二維拓撲絕緣體中，其受保護的拓撲邊緣態(tài)將在邊界處形成一維的自旋極化電子通道，從而實現(xiàn)量子自旋霍爾效應(yīng)。中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所原位電子結(jié)構(gòu)課題組與中國科學(xué)院上海高等研究院、上?？萍即髮W(xué)展開聯(lián)合研究，通過分子束外延法首次成功合成了高質(zhì)量的二維拓撲絕緣體——蜂窩狀碲烯薄膜，并通過掃描隧道顯微鏡(STM)和角分辨光電子能譜(ARPES)技術(shù)，成功觀測和揭示了蜂窩狀碲烯中的拓撲能隙和拓撲邊緣態(tài)電子結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究結(jié)果以“Realization of Honeycomb Tellurene with Topological Edge States” 為題于7月22日發(fā)表Nano Letters(DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c02171，論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c02171。
 

　　在二維拓撲絕緣體中，以一維形式存在于邊界處的拓撲邊緣態(tài)受到時間反演對稱性保護，使得邊緣態(tài)中的自旋極化電子對非磁缺陷或雜質(zhì)引起的散射不敏感，可以最大限度地避免非磁雜質(zhì)散射而產(chǎn)生的能量耗散，是實現(xiàn)低功耗電子器件應(yīng)用的重要研究平臺。
 

　　蜂窩狀結(jié)構(gòu)的二維薄膜是實現(xiàn)量子自旋霍爾效應(yīng)的理想材料，源于該體系獨特的晶格結(jié)構(gòu)，使其在布里淵區(qū)K點處產(chǎn)生狄拉克點，例如已被人們熟知的石墨烯。但由于構(gòu)成石墨烯材料的碳元素自旋軌道耦合(SOC)強度非常低，難以在狄拉克點處打開能隙且實現(xiàn)量子自旋霍爾效應(yīng)。但對于第六主族碲元素由于具有較強的SOC效應(yīng)，其構(gòu)成的蜂窩狀晶格薄膜——碲烯，在狄拉克點處能夠打開能隙，產(chǎn)生邊緣態(tài)，是實現(xiàn)室溫量子自旋霍爾效應(yīng)的理想候選材料。然而，碲元素復(fù)雜的化合價態(tài)使得由其構(gòu)成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)薄膜生長難度較大，而一直未被報道過。
 

　　最近，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所原位電子結(jié)構(gòu)課題組與中國科學(xué)院上海高等研究院葉茂研究員、上海科技大學(xué)李昂研究員和上?？萍即髮W(xué)大科學(xué)中心姜琦博士后合作，通過分子束外延法成功在1T-NiTe2薄膜上合成了高質(zhì)量的蜂窩狀碲烯，并通過掃描隧道顯微鏡(STM)和低能電子衍射(LEED)清晰揭示了其蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)(圖1)。
 

　　圖1碲烯的結(jié)構(gòu)表征。(a) 碲烯/NiTe2異質(zhì)結(jié)STM圖像。(b) 異質(zhì)結(jié)LEED圖案。(c,d) 碲烯高分辨STM圖像。(e) 結(jié)構(gòu)模型。

 

　　研究團隊利用上海微系統(tǒng)所承擔(dān)建設(shè)的“基于上海光源的原位電子結(jié)構(gòu)綜合研究平臺(SiP.ME2)”的高精度微聚焦角分辨光電子能譜(ARPES)線站(上海光源BL03U)直接觀測到了碲烯中拓撲能隙(圖2)；并通過掃描隧道譜學(xué)(STS)技術(shù)結(jié)合DFT計算，在碲烯邊界處觀察到了拓撲邊界態(tài)(圖3)。
 

　　圖2 碲烯的電子結(jié)構(gòu)表征。(a,b) 計算的碲烯能帶結(jié)構(gòu)。(c,d) ARPES及其二階微分圖。

 

　　圖3 碲烯的拓撲邊界態(tài)表征。(a) STM圖像。(b) 三種位置的STS。(c) 邊界態(tài)能帶結(jié)構(gòu)。(d-f) STS譜圖。

 

　　該研究不僅為第六主族單元素蜂窩狀二維材料的生長提供了參考，更重要的是為實現(xiàn)二維量子自旋霍爾效應(yīng)提供了全新的材料平臺。此項工作由中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，中國科學(xué)院上海高等研究院和上?？萍即髮W(xué)的科研團隊合作完成。中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所博士生劉建忠、上?？萍即髮W(xué)博士后姜琦和中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所博士生黃本銳為共同第一作者。中國科學(xué)院上海高等研究院葉茂研究員，上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)學(xué)院及拓撲物理實驗室李昂研究員，上海科技大學(xué)大科學(xué)中心博士后姜琦為共同通訊作者。中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所為論文的第一完成單位。該工作獲得科技部國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金等項目的支持。