拓?fù)浣^緣體因其在表面或邊界處的電子態(tài)可形成無(wú)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(jià)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(shí)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(tái)，是實(shí)現(xiàn)量子自旋霍爾效應(yīng)的理想材料。該體系獨(dú)特的晶格結(jié)構(gòu)使其在布里淵區(qū)的K點(diǎn)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(diǎn)處打開(kāi)能隙，從而實(shí)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(diǎn)打開(kāi)足夠大的能隙并產(chǎn)生邊緣態(tài)，成為實(shí)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(jià)態(tài)，使得由碲元素構(gòu)成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)難度較大，而一直未被報(bào)道過(guò)。

最近，中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院科研團(tuán)隊(duì)與其合作者通過(guò)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(guò)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(duì)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(tái)(SiP.ME2)”的高精度微聚焦角分辨光電子能譜（ARPES）線(xiàn)站（上海光源BL03U）直接觀(guān)測(cè)到了碲烯中拓?fù)淠芟叮▓D2）；并通過(guò)掃描隧道譜學(xué)（STS）技術(shù)結(jié)合能帶計(jì)算，在碲烯邊界處觀(guān)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(jì)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(xiàng)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(shí)現(xiàn)提供了全新的材料平臺(tái)，為未來(lái)低功耗、無(wú)能量損耗的電子器件研發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)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(xiàng)工作由中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院與中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)所、上?？萍即髮W(xué)的科研團(tuán)隊(duì)合作完成。中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)所博士生劉建忠、上?？萍即髮W(xué)博士后姜琦和中國(guó)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(guó)科學(xué)院上海高等研究院葉茂研究員，上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)學(xué)院及拓?fù)湮锢韺?shí)驗(yàn)室李昂研究員，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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。

論文鏈接： https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c02171 “Realization of Honeycomb Tellurene with Topological Edge States” Nano Lett. 2024, vol.24, issue 30, page 9296–9301.