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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,虽然已经有大量的计算工作对黑磷结构的单层Sb进行了预测

11 10月 , 2019  

近年来,物理高校兴圣皇帝春教授课题组接纳分子束外延技巧第贰回发育出广大高素质的黑磷结构的单层Sb,利用扫描隧道显微镜对协会本性举行了特点,并与中国科学技术大学物理系的朱文光教师课题组合营实行了大旨原理计算。该专业以“Van
der Waals Heteroepitaxial Growth of Monolayer Sb in Puckered Honeycomb
Structure”为题于二〇一八年五月5日在线刊登于Advanced
Materials(

二维拓扑绝缘体具有量子自旋霍尔效应,有相当的大可能率在将来低耗能自旋电子零件具备应用前景。它的体能带是怀有带隙的元素半导体,边界处具备拓扑爱戴的无带隙金属态,并具备自旋-动量锁定性格。自从量子自旋霍尔效应在HgTe/CdTe量子阱中被发掘以来,斟酌人口正在竭力查找可以实际使用的2DTI材质。然则,搜索一种结构稳固性的确实意义的二维拓扑绝缘体具有相当大的挑衅。二〇一六年,MIT理论商讨组在争鸣上揣测【Qian
et al., Science 346, 1344单层的1
T’-相连接金属硫属化合物是一类新的二维拓扑绝缘体材质。这类新的拓扑材质结构牢固性,有惊人的体带隙,何况其拓扑性能够被电场调节,适于营造范德瓦尔斯逻辑按键器件。

由于在光电器件领域的神秘应用价值,单层二维材质的探讨是这两天凝聚态领域的钻研火热。黑磷由于全数非同一般的特色曾一度受到关切。可是,黑磷在氛围中不安静,很轻易分解。大家间接从事于搜索结商谈天性与黑磷类似,不过化学牢固的代表质感。由于As和Sb与P处于一致主族,若是存在黑磷结构,或然会有所相似的性质,化学属性也也许会更安定。迄今结束,单层的黑磷一向是经过机械剥离的措施拿到,直接生长单层黑磷大概相似结构的另外单质质地在试验上差不离不恐怕。即便曾经有大气的计量专门的学问对黑磷结构的单层Sb实行了展望,但是实验上还一直不合成出高素质的单层alfa相Sb。个中二个至关心珍视要的原由是alfa相的Sb体材质在天地间中并空中楼阁。

近几年来,作者校物理高校李炎春课题组一向从事于二维拓扑材质的实验搜求,并打响地行使分子束外延技能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间接观察到一维的拓扑边界态。相关的果实已于二零一七年刊载在Physical
Review B
(
Physics (

该课题组经过成员束外延技能,成功地在WTe2衬底上制备出飞米尺度的高水平单层alfa相Sb。单层alfa相Sb的成功制备得益于美妙地行使了衬底的周密晶格相配功效。扫描隧道显微镜度量呈现多层的Sb薄膜依旧能够保持alfa相的布局。依靠于扫描隧道显微谱的准粒比干涉度量手艺,该课题组对单层Sb的能带结构实行了特征,开掘在费米面处留存线性的色散关系。实验结果与主体原理的持筹握算结果符合的很好。实验上还发掘alfa相Sb薄膜具备非常好的电导。令人出人意料的是,单层的alfa相Sb非常安静,能够在氛围中存在而不被氧化或表达。因而这种alfa相的Sb单层材质有一点都不小希望在今后的光电领域具备应用价值,愈来愈多的好奇性质有待进一步钻探。

尝试结果阐明单层1T’-WTe2在低温下显现绝缘行为,与单反子近似下的DFT计算结果并不等同。为解释这种矛盾现象,已经建议了好七种理论模型。可是,由于贫乏对单层1T‘-WTe2能带结构的精工细作掌握,学术界对此难题还设有着纠纷。

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前不久,小编校物理大学李晔春助教课题组在二维拓扑绝缘体的钻研方面又获得了重在进展,他们凭借高分辨的扫视隧道显微谱和准粒比干涉本领准确地特色了单层-1T’-WTe2的能带结构,显著了其为半金属型能带,消除了直白以来存在的相持。同有的时候间,他们在费米面周围观测到二个非正规的能隙。通过扫描隧道显微谱实验,开掘该能隙一向被钉扎在费米面处,何况能够随着费米能级的职分调整而运动。通过分析,他们发觉那么些能隙并不是一如既往被大家感觉的自旋轨道耦合带隙,而是由于电子-电子相互功能而张开的库仑能隙。库仑带隙的打开方可使得地幸免WTe2体电导的侵扰,导致低温下的绝缘行为,从而使得更易于观察到量子化的拓扑边界电导。依据Anderson局域化理论,这种库仑能隙十分大概也存在于另外的二维种类之中。

图一: 在WTe2衬底上生长的Afla相Sb单层和多层. Sb外延在WTe2上的暗示图;
扫描隧道显微镜形貌图; 原子分辨形貌图; 从单层到多层Sb的dI/dV谱;
Sb薄膜的Raman光谱度量结果。

连锁研讨成果于二〇一八年三月4日以”Observation of Coulomb gap in the quantum
spin 哈尔l candidate single-layer
1T’-WTe2”为题发表于《自然.通信》(

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极其多谢固体微结构物理国家关键实验室、人工微结构科学与技巧联合立异中央、国家科学技术部重大钻探安排,国家自然科学基金面上体系、中组部青年千人布置、云南省双创人才和六大人才高峰等类型提供的财力援助。

图二: 单层Sb薄膜的准粒王叔比干涉实验. 实验测得的结果; 理论测算的等能面;
理论模拟获得的JDOS图; 实验衡量得到的费米面周围的能量色散关系.

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感激物理高校陈延彬教师课题组提供了WTe2衬底样品和电输运性质的度量。多谢物理高校高力波教师课题组提供了原子力显微镜度量和Raman度量。第一性原理总结由中国科学本事高校的朱文光教授课题组完毕。该专门的学问获得了固体微结构物理国家关键实验室、人工微结构科学与本领协同立异为主、双超级建设,科学和技术部入儿调查探讨布署、国家自然科学基金、湖南省双创人才计划和六大人才高峰等类型的扶助。

图1. 单层WTe2 的STM形貌图和STS谱. 石墨烯上生长单层WTe2原子模型
单层WTe2原子分辨图. 单层WTe2对应的布里渊区. STS谱随空间地点的转移,
威尼斯红和水晶绿箭头分别对应库仑能隙和价/导带的交叠区域. , 多少个独立能量的dI/dV
maps, 准粒子干涉发生的长空波动清晰可以预知.

(物理高校 科学技术处)

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图2. 准粒比干涉图样与傅立叶转换结果.
不相同能量下的准粒比干涉图案的傅立叶调换结果. 沿着Y-Γ-Y
方向的能带结构暗暗表示图. 由实验获得的Y-Γ-Y 方向的E-q 能带色散关系.

(物理高校 科学技艺处)

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