二维拓扑材料的新进展——纯平锡烯中存在大的拓扑能隙

来源：中国物理学会期刊网

作者：姚杰 赵爱迪 王兵 (中国科学技术大学)

近年来，得益于拓扑物理理论和二维材料制备的迅速发展，以量子自旋霍尔绝缘体为代表的二维拓扑材料的研究受到热切关注[1， 2]。早在2005年前后，理论表明在二维材料体系如石墨烯[3]和HgTe 量子阱体系[4]中由于自旋轨道耦合作用而存在拓扑量子自旋霍尔效应。然而石墨烯中的碳是轻元素，自旋轨道作用非常微弱，所以其拓扑能隙太小。HgTe 由于由重元素组成，自旋轨道耦合作用较强，其拓扑量子自旋霍尔态在2007 年的实验中得到验证[5]，但仍需在很低的温度下才能得以实现。人们期望能在更高温度乃至室温下工作的具有更大拓扑能隙的量子自旋霍尔体系的发现。

对于第四主族的元素而言，人们很快预言了更重的元素如硅、锗的翘曲型类石墨烯结构中可能存在更大能隙的量子自旋霍尔态，其物理机制与石墨烯一样都是由Kane—Mele模型描述，即由于自旋轨道耦合作用在电子能带K和K′点的π轨道狄拉克点处打开拓扑能隙。这一能隙在硅烯和锗烯中分别可以达到1.5—2.0 meV和23.9—30.0 meV[6]。对于锡烯则可以达到100 meV[7]，理论上已经足够抵抗室温的热涨落，使实现接近室温条件量子自旋霍尔效应成为可能。其中，对锡烯的细致理论研究还得到了另一个非常有趣的结果，即对锡烯的化学修饰能够提供额外调控拓扑态的自由度：将锡烯的pz轨道用氢或卤素等饱和，将会破坏π轨道的狄拉克特性，同时在K(K′)点处打开非常大的能隙，此时锡烯的输运特性将由布里渊区中心Γ点处的σ轨道决定。理论计算预言，对于锡烯晶格拉伸的调控能够实现s 和pxy 轨道的能带反转，从而使得锡烯进入由文献[4]中Bernevig—Hughes—Zhang 模型描述的量子自旋霍尔绝缘态(图1)。这一拓扑态具有多重优越性：它可以通过化学修饰来实现，并可以有效地通过改变晶格常数来调控量子自旋霍尔态的出现和消失，即拓扑相变。更巧妙的是，由于pxy轨道是平面内的锡原子之间的化学键轨道，所以理论上其拓扑性非常鲁棒，不会受到衬底和吸附物的影响和破坏。因此，锡烯是一种理想的大能隙二维拓扑绝缘体，有望实现室温量子自旋霍尔效应，在拓扑电子学器件应用方面具有重要的意义[7]。理论同时还预言了锡烯有可能被调控实现拓扑超导态、优越的热电效应、近室温的量子反常霍尔效应等新奇特性[8—10]。过去几年中，国内外多个研究组在不同的衬底表面制备了单层锡烯[11—15]，但由于受衬底影响，这些已制备出的锡烯都具有非平面的翘曲结构且均未表现出拓扑物性。因此，实验制备具有拓扑特性的锡烯，成为二维类石墨烯材料物性研究的一项重要挑战。

图1 自由锡烯(a)、化学修饰锡烯(b)、Cu(111)表面纯平锡烯(c)的原子结构俯视和侧视图(上、中)、分子轨道模型(下左)和能带结构(下右)示意图。其中黑色虚线和红色实线分别为未考虑和考虑自旋轨道耦合的低能能带(改编自文献[2])

针对上述问题，我们发展了低温分子束外延的方法以精细控制锡原子的表面吸附和扩散，在Cu(111)上外延生长出高质量的样品。通过扫描隧道显微镜(STM)证实了其为纯平锡烯单层薄膜，并在角度分辨光电子能谱(ARPES)结果中观测到在Γ点处打开了一个高达0.3 eV 的拓扑间隙。通过与清华大学以及美国斯坦福大学的理论组开展合作研究，结合第一性原理的理论计算，表明了这一锡烯结构的电子能带中由于自旋轨道耦合作用，出现面内的s—p 能带反转，会在Γ点处打开与实验观测一致的拓扑间隙。这些实验和理论结果证明纯平锡烯单层薄膜具有显著的拓扑特征。这是首次在第四主族类石墨烯的纯平材料中实现这一新奇性质[16]。进一步的理论计算还预言了在纯平蜂巢结构的锗烯和铅烯中也存在类似的拓扑特性，从而构成了一类新型的二维拓扑材料家族。

在这一工作中，我们选取了Cu(111)单晶作为衬底，主要是由于其表面的晶格常数为2.55 Å。锡烯在该表面按2×2公度生长将使晶格常数拉伸为5.1 Å，符合理论预言的进入量子自旋霍尔绝缘态的要求。然而，在室温和高温下的沉积结果表明锡烯都形成了√3 × √3的翘曲结构，并且由于较高温度下的结构弛豫使其晶格常数仅为4.5 Å，不具有晶格拉伸效应。通过实验探索，我们发现将衬底温度控制在200 K附近时，锡原子按照二维模式生长，并且择优形成2×2 公度的蜂巢结构，其晶格常数为5.1 Å，表现出明显的面内晶格拉伸。令人惊奇的是，这一方法生长出的蜂巢结构的单胞中AB位原子无高度差，表现为理想的纯平六角蜂巢晶格，即完全类似石墨烯的纯平结构，如图2(a，b)所示。人们知道，除石墨烯外的二维X烯(X=Si，Ge，Sn)通常表现为翘曲蜂巢结构，这是由于它们的π键较弱，因而通过形成翘曲结构允许π—σ相互作用，使得翘曲结构比平面结构更稳定。理论计算分析表明，在我们得到的纯平锡烯中之所以能形成类似石墨烯的纯平结构，其主要原因是Cu 衬底与锡烯之间存在较强的相互作用，使得低温生长的纯平锡烯得以稳定。理论分析进一步说明，Cu 衬底不仅起到稳定锡烯纯平结构、拉伸锡烯晶格的作用，还对其产生轨道过滤的作用。这一作用通过Cu衬底将锡烯中的pz轨道几乎完全饱和，其作用类似于化学修饰的氢化锡烯和卤化锡烯，最终结果表现为其低能电子特征主要由Г点处贡献，替代了石墨烯中由K(K′)点贡献的特征。通过高分辨的ARPES实验，对比纯净的Cu(111)表面和90%锡烯覆盖的表面，发现在后者的布里渊区中心Г点附近的占据态(Г点处大约位于−1.25 eV)中存在约为0.3 eV 能隙的两条能带，如图2(c)所示。理论计算表明，这一能隙特征的出现符合Bernevig—Hughes—Zhang 模型所预言的拓扑能带反转所导致的大拓扑能隙，如图2(d)所示。我们同时测量了岛状的纯平锡烯的扫描隧道谱(STS)(图3)，发现在−1.3 V偏压附近，dI/dV图像和STS 均观察到锡烯的边沿的确存在显著增强的电子态密度，表明了锡烯存在拓扑边沿态的可能性。

图2 (a)单层纯平锡烯薄膜的STM 图像；(b)原子分辨STM 图像及其原子模型的叠加图；(c)90%覆盖率的纯平锡烯的ARPES谱，黄色实线为锡烯的能带，其余为Cu衬底能带；(d)理论计算的能带图，红色和蓝色点分别代表来自锡的pxy 和pz轨道的贡献(改编自文献[16])

在这一工作中，我们所观测到的拓扑能隙大小约0.3 eV，远超室温热涨落能量，这对于未来实现近室温乃至室温工作的拓扑量子器件具有重要的意义。具有拓扑能带反转和大拓扑能隙的纯平锡烯的实验发现，为类石墨烯的拓扑物性材料添加了新成员，将对二维量子材料的研究起到积极的作用。

致谢 感谢清华大学徐勇、段文晖以及斯坦福大学张首晟等的合作。

图3 (a)单层岛状纯平锡烯的STM图像；(b)单层纯平锡烯的STS谱，其中红色和蓝色分别为边沿处和中心处测量，绿色阴影为增强的电子态密度；(c)不同偏压下的dI/dV图，扫描区域为(a)中的蓝色实线框。可以看到在−1.3 V偏压附近，纯平锡烯的边沿均显示存在增强的电子态密度(改编自文献[16])

参考文献

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[2] Molle A et al. Nat. Mater.，2017，16：163

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[4] Bernevig B A et al. Science，2006，314：1757

[5] König M et al. Science，2007，318：766

[6] Liu C C et al. Phys. Rev. Lett.，2011，107：076802

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本文选自《物理》2019年第5期

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