中國科學院物理研究所
北京凝聚態物理國家研究中心
SF9組供稿
第46期
2020年06月08日
鉍烯同質結中莫爾超周期對拓撲邊緣態的調制

  由于維度的降低,相比于三維原子晶體,以石墨烯為代表的二維原子晶體由于獨特的蜂窩狀原子排布,展現了全新的量子特性,受到了人們極大的關注。以硅烯和鉍烯為代表的第四、第五主族單元素蜂窩狀二維材料由于擁有較大的自旋-軌道耦合,被認為是二維拓撲絕緣體的候選,表現為導電的拓撲邊緣態與面內絕緣態的共存。特別是,拓撲邊緣態中的電子對非磁性缺陷的“零背散射”使得二維拓撲絕緣體在未來“零能耗”器件領域具有巨大的應用潛力。

  近年來,人們更進一步在多層轉角石墨烯中發現了層間相互作用可以調控石墨烯的能帶結構,使整個體系獲得更優越的量子特性。這意味著層間相互作用可以作為新的自由度對多層二維體系物性進行有效調控。然而第四、第五主族單元素蜂窩狀二維材料有異于石墨烯的面外翹曲結構,這種翹曲結構在引入大的自旋-軌道耦合的同時也帶來較強的層間雜化,使得對層間相互作用的調控變得異常艱難。

  中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心表面物理國家重點實驗室吳克輝研究組一直致力于單元素二維材料的研究,在硅烯、硼烯等領域取得了世界領先的研究成果。近年來,他們也開始了對多層單元素二維材料層間作用的調控研究。例如,在2018年,該研究組陳嵐研究員與澳大利亞伍倫貢大學Y. Du教授以及南開大學胡振芃教授合作,利用掃描隧道顯微鏡的操縱技術在多層硅烯上實現了層間轉動,得到了由莫爾條紋引發的具有Kagome結構的電子勢場,從而在多層硅烯上實現了拓撲性的電子平帶(Science Advances 4, eaau4511 (2018)).

  最近,陳嵐研究員、吳克輝研究員與新加坡國立大學的Andrew Wee教授課題組對多層鉍烯進行了深入的研究。他們利用低溫分子束外延的生長,在高定向熱解石墨(HOPG)表面獲得了鉍的單層類黑磷結構相(BP-Bi)以及單層的蜂窩狀鉍烯相(Bismuthene)。兩種單層結構相在垂直方向堆疊形成鉍烯/類黑磷鉍(Bismuthene/BP-Bi)的同質結,由于其層間的對稱性差異(鉍烯屬于六角晶格而類黑磷鉍是長方形晶格),促成了莫爾超結構的形成。超結構的出現一方面大大的提高了層間脫耦合,使得單層鉍的拓撲性質得到很好的保留,另外一方面也帶入了隨莫爾周期變化的層間相互作用的調制。通過掃描隧道顯微鏡/qplus原子力顯微鏡的研究,他們發現莫爾周期對單層鉍烯的拓撲邊緣態具有調制的作用。結合nc-AFM對表面的原子翹曲的精確測量和第一性原理計算,他們解釋了這種拓撲邊緣態的調制來源于莫爾超周期中不同堆疊模式下層間相互作用的變化。

  該研究不僅為第四、第五主族單元素蜂窩狀二維材料的脫耦合生長提供了很好的參考,更重要的是為二維拓撲材料在通過層間作用對物性調控的可能性提供了可靠范例。相關研究結果發表在Science Advances 6, eaba2773 (2020)。第一作者為茍健博士(原SF09組博士生,目前在Wee教授組做博士后),主要負責實驗。理論計算主要由SF09組的孔龍娟博士(已畢業,目前在南開大學做博士后)完成。合作者還包括SF10組的孟勝研究員和北京理工大學的孫家濤教授。

  該項目得到了科技部(2016YFE0202700,2016YFA0202301)、國家自然科學基金委(11761141013,11674366,11974045),北京市自然科學基金(Z18007)和中科院先導專項(XDB30000000)的資助。


圖1.生長所獲得的鉍烯/類黑磷鉍同質結的實驗圖(A,B,D)和結構示意圖(B).


圖2. 鉍烯/類黑磷鉍結構的結構特征計算(A-C)以及實驗精確測量(E-F)。


圖3. 鉍烯表面的拓撲邊緣態隨莫爾超周期中不同位點變化的調制過程。