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二維拓撲絕緣體研究獲進展

  拓撲絕緣體在表面或邊界處的電子態(tài)可以形成無能量耗散的導(dǎo)電通道,在低功耗電子器件領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。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)。

  理論研究表明,具有蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的薄膜是二維拓撲絕緣體的重要平臺,也是實現(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),如石墨烯。由于碳元素的自旋軌道耦合強度低,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,碲元素因強自旋軌道耦合作用,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,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,而未被報道。

  近期,中國科學(xué)院上海高等研究院、上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所及上??萍即髮W(xué)的科研人員,通過分子束外延法在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和低能電子衍射揭示了其蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)。

  該團隊利用基于上海光源原位電子結(jié)構(gòu)綜合研究平臺的高精度微聚焦角分辨光電子能譜線站,直接觀測到碲烯中拓撲能隙。進一步,該團隊通過掃描隧道譜學(xué)技術(shù)結(jié)合能帶計算,在碲烯邊界處觀察到拓撲邊界態(tài)。

  該研究合成了蜂窩狀碲烯薄膜,為實現(xiàn)量子自旋霍爾效應(yīng)提供了全新的材料平臺,并為未來低功耗、無能量損耗的電子器件研發(fā)工作奠定了基礎(chǔ)。

  相關(guān)研究成果以Realization of Honeycomb Tellurene with Topological Edge States為題,發(fā)表在《納米快報》(Nano Letters)上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金和國家重點研發(fā)計劃等的支持。

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