南京大学物理学院李绍春教授课题组在二维拓扑绝缘体研究中取得重大进展。该课题组使用精控分子束外延技术首次生长出大带隙的二维拓扑绝缘体ZrTe5单层，通过扫描隧道显微学测量发现单层ZrTe5具有不同于体结构的两种全新结构相，并存在高达~250 mV的拓扑非平庸带隙和边界金属态，为未来实现室温量子自旋霍尔效应提供了可能的材料平台。相关成果以“Realization of monolayer ZrTe5 topological insulators with wide band gaps”为题发表在Nature Communications [Y.-J. Xu, G. Cao et al., Nature Communications 15, 4784 (2024)]。
二维拓扑绝缘体存在绝缘体态和拓扑保护的导电边界态，是实现量子自旋霍尔效应的材料平台。为了在高温甚至室温下观测到量子自旋霍尔效应，需要大带隙的二维拓扑绝缘体来有效抑制体电导和热涨落。然而，目前大多数的候选材料都表现出窄带隙甚至负带隙，仅在很低的温度下才能观测到量子自旋霍尔效应。曾有理论预测表明ZrTe5单层可能是具有大带隙的拓扑绝缘体材料。然而，由于ZrTe5是相图中最不稳定的结构，且对空气非常敏感，在实验上很难获得单层ZrTe5，而通过外延方法直接生长单层ZrTe5更是面临极大的挑战。需要强调的是，单晶ZrTe5在近十年来被学术界广泛关注，很多新奇的拓扑量子现象陆续被发现。然而，由于在实验上一直未获得成功，对单层ZrTe5的拓扑性质仍然不清楚。
李绍春教授课题组长期致力于二维拓扑绝缘体的实验探索。早在2016年，该课题组首次利用扫描隧道显微谱学技术证实了单晶ZrTe5为三维弱拓扑绝缘体[X.-B. Li et al., Phys. Rev. Lett. 116, 176803 (2016)]。随后，又利用分子束外延技术成功获得二维拓扑绝缘体单层1T’-WTe2 并发现了电子相互作用的库仑能隙 [Z.-Y. Jia et al., Phys. Rev. B 96, (2017); Y.-H. Song et al., Nat. Commun. 9, 4071 (2018)]。然而，扫描隧道显微谱学测量显示单层1T’-WTe2具有半金属型能带（负能隙），不利于量子自旋霍尔效应的观测。最近，该课题组通过发展范德华外延方法，进一步提高了外延过程中的温度和束流精度，首次成功生长出了二维拓扑绝缘体单层ZrTe5。高分辨形貌图显示，单层ZrTe5具有两种不同于体相的新结构相（如图1），而这两种结构分别对应于面内ZrTe3三棱柱的不同排列方式（如图2）。扫描隧道显微谱显示，两种单层ZrTe5结构均具有体能隙，且高达250 meV左右。如此大的带隙满足了在室温下观测量子自选霍尔效应的要求。隧道谱学测量还显示在两种结构的边界上都具有鲁棒的一维导电边界态（如图3），通过第一性原理计算，进一步证实了如此大的能隙来源于强自旋-轨道耦合，并且这两种结构相的边界态都是拓扑非平庸的（如图4）。该发现为探索室温量子自旋霍尔效应提供了一个非常理想的材料平台。
图1 单层ZrTe5的形貌表征。a单层ZrTe5在BLG/SiC衬底上的表面形貌图。(b, d) 分别为相1和相2的形貌放大图。(c, e) 分别为两种相的剖面轮廓线。(f, g) 为单层ZrTe5的XPS测量结果。(h, i) 为相1正负偏压下原子分辨。(j, k) 为相2正负偏压下原子分辨。
图2 单层ZrTe5的晶体结构。(a, b) 为单晶ZrTe5的结构图和原子分辨。(c, d) 分别为相1和相2的结构示意图。(e) 为相1的实验测量原子分辨和计算相同偏压原子分辨。(f) 为相2的实验测量原子分辨和计算相同偏压原子分辨。
图3 单层ZrTe5的扫描隧道谱。(a, e) 分别为相1和相2远离边界的扫描隧道谱。(b, f) 分别为两种相边界上的扫描隧道谱。(c, g) 为沿垂直于边界的直线上的dI/dV谱。(d, h) 为两种相的边界态从边界向体内指数衰减。
图4 (a, b) 为相1无SOC和有SOC的能带图。 (c) 相1边界能带图。(d) 相1计算的体内和边界的LDOS。(e, f) 为相2无SOC和有SOC的能带图。(g) 相2边界能带图。(h) 相2计算的体内和边界的LDOS。
该工作得到了南京大学物理学院邢定钰院士的悉心指导，由南京大学、中国科学技术大学和苏州纳米所合作完成。南京大学物理学院博士研究生徐永杰和中国科学技术大学博士后曹国花为论文的共同第一作者，南京大学物理学院李绍春教授和中国科学技术大学崔萍教授为论文的共同通讯作者。南京大学李绍春课题组负责实验设计以及样品的制备和表征，中国科学技术大学崔萍教授和张振宇教授课题组负责文章中的理论计算部分。中科院苏州纳米所李坊森研究员提供了X射线光电子能谱测量。
该工作得到了国家自然科学基金委、科技部重点研发计划，科技创新2030计划、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和江苏省纳米技术重点实验室的大力支持和经费资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-49197-x