二维拓扑绝缘体研究获进展

拓扑绝缘体在表面或边界处的电子态可以形成无能量耗散的导电通道，在低功耗电子器件领域具有潜在的应用价值。在二维拓扑绝缘体中，其受保护的拓扑边缘态将在边界处形成一维的自旋极化电子通道，从而实现量子自旋霍尔效应。

理论研究表明，具有蜂窝状晶格结构的薄膜是二维拓扑绝缘体的重要平台，也是实现量子自旋霍尔效应的理想材料。该体系独特的晶格结构使其在布里渊区的K点处产生狄拉克锥型能带结构，如石墨烯。由于碳元素的自旋轨道耦合强度低，石墨烯难以在狄拉克点处打开能隙，从而实现量子自旋霍尔效应。相比之下，碲元素因强自旋轨道耦合作用，可在狄拉克点打开足够大的能隙并产生边缘态，成为实现室温量子自旋霍尔效应的理想材料。然而，碲元素复杂的化合价态使得由碲元素构成的蜂窝状结构生长难度较大，而未被报道。

近期，中国科学院上海高等研究院、上海微系统与信息技术研究所及上海科技大学的科研人员，通过分子束外延法在1T-NiTe₂薄膜上合成了高质量的蜂窝状碲烯，并通过扫描隧道显微镜和低能电子衍射揭示了其蜂窝状晶格结构。

该团队利用基于上海光源原位电子结构综合研究平台的高精度微聚焦角分辨光电子能谱线站，直接观测到碲烯中拓扑能隙。进一步，该团队通过扫描隧道谱学技术结合能带计算，在碲烯边界处观察到拓扑边界态。

该研究合成了蜂窝状碲烯薄膜，为实现量子自旋霍尔效应提供了全新的材料平台，并为未来低功耗、无能量损耗的电子器件研发工作奠定了基础。

相关研究成果以Realization of Honeycomb Tellurene with Topological Edge States为题，发表在《纳米快报》（Nano Letters）上。研究工作得到国家自然科学基金和国家重点研发计划等的支持。

论文链接

碲烯的结构表征