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【金沙js娱乐场官方网站】李绍春课题组在单层1T’

2019-12-10 作者:产品评测   |   浏览(89)

二维拓扑绝缘体具有量子自旋霍尔效应,有望在未来低功耗自旋电子器件具有应用前景。它的体能带是具有带隙的半导体,边界处具有拓扑保护的无带隙金属态,并具有自旋-动量锁定特性。自从量子自旋霍尔效应在HgTe/CdTe量子阱中被发现以来,研究人员正在着力寻找可以实际应用的2DTI材料。然而,寻找一种结构稳定的真正意义的二维拓扑绝缘体具有很大的挑战。2014年,MIT理论研究组在理论上预测【Qian et al., Science 346, 1344单层的1 T’-相过渡金属硫属化合物是一类新的二维拓扑绝缘体材料。这类新的拓扑材料结构稳定,有可观的体带隙,并且其拓扑性可以被电场调控,适于构建范德瓦尔斯逻辑开关器件。

物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、南京微结构科学与技术协同创新中心的李绍春教授与陈延彬副教授合作,在表征二维拓扑绝缘体方面取得了重要进展,相关研究成果以《Experimental Observation of Topological Edge States at the Surface Step Edge of the Topological Insulator ZrTe5》为题,于2016年04月28日在线发表在Physical Review Letters [PRL 116, 176803 ]。南京大学物理学院博士生李向兵,已毕业硕士生黄文凯,和工学院博士生吕洋洋为论文的共同第一作者。李绍春教授和陈延彬副教授为论文的共同通讯作者。南京大学陈延峰教授和邢定钰院士指导了本文工作。邢定钰院士在论文的写作方面给予了大力的支持。其它单位的参与者包括清华大学的薛其坤院士和上海交通大学的贾金锋教授。

近几年来,我校物理学院李绍春课题组一直致力于二维拓扑材料的实验探索,并成功地利用分子束外延技术在双层石墨烯衬底上生长出单层的1T’-WTe2,通过扫描隧道显微镜直接观测到一维的拓扑边界态。相关的成果已于2017年发表在Physical Review B (https://doi.org/10.1103/PhysRevB.96.041108)。值得一提的是,美国斯坦福大学的实验小组也在同时期独立报道了类似的工作【Nature Physics (https://doi.org/10.1038/NPHYS4174)】。

二维拓扑绝缘体由于具有量子自旋霍尔效应而最近备受学术界的关注。二维拓扑绝缘体的特点是,具有带隙的体能带结构和拓扑保护的一维边界态。在实验上寻找结构稳定的大能隙二维拓扑绝缘体是当前凝聚态物理领域的一个研究热点,致力于提高量子自旋霍尔效应的工作温度。近年来,很多研究工作都聚焦于ZrTe5, 该材料很有可能是一种良好的二维拓扑绝缘体。然而ZrTe5的三维体相的拓扑性质却存在极大的争议。理论计算表明体相ZrTe5是弱拓扑绝缘体或者强拓扑绝缘体,而大量的实验结果显示ZrTe5的体相具有半金属行为。在本工作中,我们首次利用高分辨的扫描隧道显微技术在实空间的原子尺度上精确表征了ZrTe5的体态和边界态,并发现在表面台阶处具有一维的拓扑边界态,而体能带具有100 meV左右的带隙,从而证实了ZrTe5是一种新的大带隙二维拓扑绝缘体。另外,我们还在实验上首次观察到了一维拓扑边界态在磁场下的响应。在外磁场作用下,能量简并的一维边界态发生了能量劈裂。这种边界态在能量上的劈裂与其体能带在磁场下的变化有密切的关系,并且与理论模型相吻合。

实验结果表明单层1T’-WTe2在低温下呈现绝缘行为,与单电子近似下的DFT计算结果并不一致。为解释这种矛盾现象,已经提出了若干种理论模型。然而,由于缺乏对单层1T‘-WTe2能带结构的精细理解,学术界对此问题还存在着争议。

ZrTe5材料具有高质量的单晶性和理想的一维表面台阶结构,为进一步研究基于二维拓扑绝缘体界面的奇异物理现象提供了良好的材料平台,比如探寻Majorana费米子或者反常量子霍尔效应等等。图一显示了ZrTe5表面的台阶结构和原子分辨的形貌;图二显示了实验上测量得到的台阶处一维边界态和体带隙。

近日,我校物理学院李绍春教授课题组在二维拓扑绝缘体的研究方面又取得了重要进展,他们借助高分辨的扫描隧道显微谱和准粒子干涉技术精确地表征了单层-1T’-WTe2的能带结构,确定了其为半金属型能带,解决了一直以来存在的争议。同时,他们在费米面附近观察到一个独特的能隙。通过扫描隧道显微谱实验,发现该能隙一直被钉扎在费米面处,并且可以随着费米能级的位置调控而移动。通过分析,他们发现这个能隙并不是一直以来被人们认为的自旋轨道耦合带隙,而是由于电子-电子相互作用而打开的库仑能隙。库仑带隙的打开可以有效地抑制WTe2体电导的干扰,导致低温下的绝缘行为,从而使得更容易观察到量子化的拓扑边界电导。根据安德森局域化理论,这种库仑能隙很可能也存在于其它的二维体系之中。

金沙js娱乐场官方网站 1图一: ZrTe5的晶体结构; 4K下获得的ZrTe5表面的台阶形貌,面积为25x25 nm2; ZrTe5表面的原子分辨形貌,面积为8x8 nm2; 在ZrTe5表面获得的局域态密度信息显示100meV的能隙。

相关研究成果于2018年10月4日以”Observation of Coulomb gap in the quantum spin Hall candidate single-layer 1T’-WTe2”为题发表于《自然.通讯》(https://doi.org/10.1038/s41467-018-06635-x)。南京大学物理学院博士研究生宋业恒和贾振宇为论文共同第一作者,李绍春教授为论文的通讯作者。DFT理论模拟由物理学院张海军教授课题组完成。该系列工作一直以来得到了邢定钰院士的大力支持。

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特别感谢固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、国家科技部重大研究计划,国家自然科学基金面上项目、中组部青年千人计划、江苏省双创人才和六大人才高峰等项目提供的资金资助。

图二: 在ZrTe5表面台阶处测量的微分电导;的快速傅立叶变换结果; 边界态在不同能量位置的穿透深度;和边界处的局域态密度比较; 边界态沿着表面台阶分布的一维性质。

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