【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】拓?fù)浣^緣體因其在表面或邊界處的電子態(tài)可形成無能量耗散的導(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。在二維拓?fù)浣^緣體中，其受保護(hù)的拓?fù)溥吘墤B(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)。
理論研究表明，具有蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的薄膜是二維拓?fù)浣^緣體的重要平臺，是實現(xiàn)量子自旋霍爾效應(yīng)的理想材料。該體系獨特的晶格結(jié)構(gòu)使其在布里淵區(qū)的K點處產(chǎn)生狄拉克錐型能帶結(jié)構(gòu)，例如已被人們熟知的石墨烯。由于碳元素的自旋軌道耦合(SOC)強(qiáng)度低，石墨烯難以在狄拉克點處打開能隙，從而實現(xiàn)量子自旋霍爾效應(yīng)。相比之下，碲元素因其強(qiáng)自旋軌道耦合作用，可在狄拉克點打開足夠大的能隙并產(chǎn)生邊緣態(tài)，成為實現(xiàn)室溫量子自旋霍爾效應(yīng)的理想材料。然而，由于碲元素復(fù)雜的化合價態(tài)，使得由碲元素構(gòu)成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)生長難度較大，而一直未被報道過。
最近，中國科學(xué)院上海高等研究院科研團(tuán)隊與其合作者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(tuán)隊在上海光源利用 “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?fù)淠芟?圖2)；并通過掃描隧道譜學(xué)(STS)技術(shù)結(jié)合能帶計算，在碲烯邊界處觀察到了拓?fù)溥吔鐟B(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?fù)溥吔鐟B(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。
這項研究不僅首次成功合成了蜂窩狀碲烯薄膜，還為量子自旋霍爾效應(yīng)的實現(xiàn)提供了全新的材料平臺，為未來低功耗、無能量損耗的電子器件研發(fā)奠定了堅實基礎(chǔ)。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雜志。
此項工作由中國科學(xué)院上海高等研究院與中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所、上海科技大學(xué)的科研團(tuán)隊合作完成。中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所博士生劉建忠、上海科技大學(xué)博士后姜琦和中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)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，上海科技大學(xué)物質(zhì)學(xué)院及拓?fù)湮锢韺嶒炇依畎貉芯繂T，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。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。
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