上海高研院在二维拓扑绝缘体研究中取得重要进展

　　【仪表网 研发快讯】拓扑绝缘体因其在表面或边界处的电子态可形成无能量耗散的导电通道，在低功耗电子器件具有极大的潜在应用价值而广受关注。在二维拓扑绝缘体中，其受保护的拓扑边缘态将在边界处形成一维的自旋极化电子通道，从而实现量子自旋霍尔效应。
 

　　理论研究表明，具有蜂窝状晶格结构的薄膜是二维拓扑绝缘体的重要平台，是实现量子自旋霍尔效应的理想材料。该体系独特的晶格结构使其在布里渊区的K点处产生狄拉克锥型能带结构，例如已被人们熟知的石墨烯。由于碳元素的自旋轨道耦合(SOC)强度低，石墨烯难以在狄拉克点处打开能隙，从而实现量子自旋霍尔效应。相比之下，碲元素因其强自旋轨道耦合作用，可在狄拉克点打开足够大的能隙并产生边缘态，成为实现室温量子自旋霍尔效应的理想材料。然而，由于碲元素复杂的化合价态，使得由碲元素构成的蜂窝状结构生长难度较大，而一直未被报道过。
 

　　最近，中国科学院上海高等研究院科研团队与其合作者通过分子束外延法成功在1T-NiTe2薄膜上合成了高质量的蜂窝状碲烯，并通过扫描隧道显微镜(STM)和低能电子衍射(LEED)清晰揭示了其蜂窝状晶格结构(图1)。
 

　　图1碲烯的结构表征。(a) 碲烯/NiTe2异质结STM图像。(b) 异质结LEED图案。(c,d) 碲烯高分辨STM图像。(e) 结构模型。
 

　　研究团队在上海光源利用 “基于上海光源的原位电子结构综合研究平台(SiP.ME2)”的高精度微聚焦角分辨光电子能谱(ARPES)线站(上海光源BL03U)直接观测到了碲烯中拓扑能隙(图2)；并通过扫描隧道谱学(STS)技术结合能带计算，在碲烯边界处观察到了拓扑边界态(图3)。
 

　　图2 碲烯的电子结构表征。(a,b) 计算的碲烯能带结构。(c,d) ARPES及其二阶微分图。
 

　　图3 碲烯的拓扑边界态表征。(a) STM图像。(b) 三种位置的STS。(c) 边界态能带结构。(d-f) STS谱图。
 

　　这项研究不仅首次成功合成了蜂窝状碲烯薄膜，还为量子自旋霍尔效应的实现提供了全新的材料平台，为未来低功耗、无能量损耗的电子器件研发奠定了坚实基础。相关研究结果以“Realization of Honeycomb Tellurene with Topological Edge States” 为题于7月22日发表Nano Letters杂志。
 

　　此项工作由中国科学院上海高等研究院与中国科学院上海微系统所、上海科技大学的科研团队合作完成。中国科学院上海微系统所博士生刘建忠、上海科技大学博士后姜琦和中国科学院上海微系统所博士生黄本锐为共同第一作者。中国科学院上海高等研究院叶茂研究员，上海科技大学物质学院及拓扑物理实验室李昂研究员，上海科技大学大科学中心博士后姜琦为共同通讯作者。该工作获得科技部国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的支持。