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
铋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,以石墨烯爲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。以矽烯和铋烯爲代表的第四、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,被認爲是二維拓撲絕緣體的候選,表現爲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爲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,该研究组陈岚研究員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,陈岚研究員、吴克辉研究員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,他们解释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)。第一作者为苟健博士(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。合作者还包括SF10组的孟胜研究員和北京理工大学的孙家涛教授。

  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.生長所獲得的铋烯/類黑磷铋同質結的實驗圖(A,B,D)和結構示意圖(B).


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)。


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。