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北京凝聚态物理国家研究中心
SF9组供稿
第46期
2020年06月08日
铋烯同质结中莫尔超周期对拓扑边缘态的调制

  由于维度的降低,相比于三维原子晶体,以石墨烯为代表的二维原子晶体由于独特的蜂窝状原子排布,展现了全新的量子特性,受到了人们极大的关注。以硅烯和铋烯为代表的第四、第五主族单元素蜂窝状二维材料由于拥有较大的自旋-轨道耦合,被认为是二维拓扑绝缘体的候选,表现为导电的拓扑边缘态与面内绝缘态的共存。特别是,拓扑边缘态中的电子对非磁性缺陷的“零背散射”使得二维拓扑绝缘体在未来“零能耗”器件领域具有巨大的应用潜力。

  近年来,人们更进一步在多层转角石墨烯中发现了层间相互作用可以调控石墨烯的能带结构,使整个体系获得更优越的量子特性。这意味着层间相互作用可以作为新的自由度对多层二维体系物性进行有效调控。然而第四、第五主族单元素蜂窝状二维材料有异于石墨烯的面外翘曲结构,这种翘曲结构在引入大的自旋-轨道耦合的同时也带来较强的层间杂化,使得对层间相互作用的调控变得异常艰难。

  太阳集团游戏官方网址,www.16766.com/北京凝聚态物理国家研究中心表面物理国家重点实验室吴克辉研究组一直致力于单元素二维材料的研究,在硅烯、硼烯等领域取得了世界领先的研究成果。近年来,他们也开始了对多层单元素二维材料层间作用的调控研究。例如,在2018年,该研究组陈岚研究员与澳大利亚伍伦贡大学Y. Du教授以及南开大学胡振芃教授合作,利用扫描隧道显微镜的操纵技术在多层硅烯上实现了层间转动,得到了由莫尔条纹引发的具有Kagome结构的电子势场,从而在多层硅烯上实现了拓扑性的电子平带(Science Advances 4, eaau4511 (2018)).

  最近,陈岚研究员、吴克辉研究员与新加坡国立大学的Andrew Wee教授课题组对多层铋烯进行了深入的研究。他们利用低温分子束外延的生长,在高定向热解石墨(HOPG)表面获得了铋的单层类黑磷结构相(BP-Bi)以及单层的蜂窝状铋烯相(Bismuthene)。两种单层结构相在垂直方向堆叠形成铋烯/类黑磷铋(Bismuthene/BP-Bi)的同质结,由于其层间的对称性差异(铋烯属于六角晶格而类黑磷铋是长方形晶格),促成了莫尔超结构的形成。超结构的出现一方面大大的提高了层间脱耦合,使得单层铋的拓扑性质得到很好的保留,另外一方面也带入了随莫尔周期变化的层间相互作用的调制。通过扫描隧道显微镜/qplus原子力显微镜的研究,他们发现莫尔周期对单层铋烯的拓扑边缘态具有调制的作用。结合nc-AFM对表面的原子翘曲的精确测量和第一性原理计算,他们说明了这种拓扑边缘态的调制来源于莫尔超周期中不同堆叠模式下层间相互作用的变化。

  该研究不仅为第四、第五主族单元素蜂窝状二维材料的脱耦合生长提供了很好的参考,更重要的是为二维拓扑材料在通过层间作用对物性调控的可能性提供了可靠范例。相关研究结果发表在Science Advances 6, eaba2773 (2020)。第一编辑为苟健博士(原SF09组博士生,目前在Wee教授组做博士后),主要负责实验。理论计算主要由SF09组的孔龙娟博士(已毕业,目前在南开大学做博士后)完成。合编辑还包括SF10组的孟胜研究员和北京理工大学的孙家涛教授。

  该项目得到了科技部(2016YFE0202700,2016YFA0202301)、国家自然科学基金委(11761141013,11674366,11974045),北京市自然科学基金(Z18007)和中科院先导专项(XDB30000000)的资助。

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图1.生长所获得的铋烯/类黑磷铋同质结的实验图(A,B,D)和结构示意图(B).

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图2. 铋烯/类黑磷铋结构的结构特征计算(A-C)以及实验精确测量(E-F)。

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图3. 铋烯表面的拓扑边缘态随莫尔超周期中不同位点变化的调制过程。