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二维拓扑绝缘体具有量子自旋霍尔效应,利用碱金属插层的方法在Weyl半金属WTe2中实现了超导转变

点击: 163 次  来源:http://www.khaido.com 时间:2019-12-07

近日,物理学院李绍春教授课题组利用分子束外延技术首次生长出大面积高质量的黑磷结构的单层Sb,利用扫描隧道显微镜对结构性质进行了表征,并与中国科学技术大学物理系的朱文光教授课题组合作进行了第一性原理计算。该工作以“Van der Waals Heteroepitaxial Growth of Monolayer Sb in Puckered Honeycomb Structure”为题于2018年12月5日在线发表于Advanced Materials(

二维拓扑绝缘体具有量子自旋霍尔效应,有望在未来低功耗自旋电子器件具有应用前景。它的体能带是具有带隙的半导体,边界处具有拓扑保护的无带隙金属态,并具有自旋-动量锁定特性。自从量子自旋霍尔效应在HgTe/CdTe量子阱中被发现以来,研究人员正在着力寻找可以实际应用的2DTI材料。然而,寻找一种结构稳定的真正意义的二维拓扑绝缘体具有很大的挑战。2014年,MIT理论研究组在理论上预测【Qian et al., Science 346, 1344单层的1 T’-相过渡金属硫属化合物是一类新的二维拓扑绝缘体材料。这类新的拓扑材料结构稳定,有可观的体带隙,并且其拓扑性可以被电场调控,适于构建范德瓦尔斯逻辑开关器件。

物理学院、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的张翼教授课题组与美国伯克利国家实验室先进光源、美国斯坦福大学沈志勋研究组、美国加州大学伯克利分校的Michael F. Crommie研究组和Feng Wang研究组合作,实现了二维材料WSe2的分子束外延生长,并结合多种探测手段对其能带结构、表面掺杂效应及光学响应特性进行了详细的表征与研究。研究成果以“Electronic Structure, Surface Doping, and Optical Response in Epitaxial WSe2 Thin Films”为题于2016年3月在线发表在Nano Letters期刊上(

近日,南京大学物理学院李绍春教授课题组与温锦生课题组、陈延彬课题组合作,利用碱金属插层的方法在Weyl半金属WTe2中实现了超导转变。该工作以“Superconductivity in Potassium-Intercalated Td-WTe2”为题于2018年9月18日在Nano Letters上在线发表(https:/doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b03180)。南京大学物理学院博士生朱立为论文的第一作者;李绍春教授、温锦生教授和陈延彬教授为该工作的共同通讯作者。

由于在光电器件领域的潜在应用价值,单层二维材料的研究是近年来凝聚态领域的研究热点。黑磷由于具有独特的特性曾一度受到关注。然而,黑磷在空气中不稳定,很容易分解。人们一直致力于寻找结构和性质与黑磷类似,但是化学稳定的替代材料。由于As和Sb与P处于同一主族,如果存在黑磷结构,可能会具有相似的性质,化学性质也可能会更稳定。迄今为止,单层的黑磷一直是通过机械剥离的方法获得,直接生长单层黑磷或者相似结构的其它单质材料在实验上几乎不可能。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,但是实验上还没有合成出高质量的单层alfa相Sb。其中一个重要的原因是alfa相的Sb体材料在自然界中并不存在。

近几年来,我校物理学院李绍春课题组一直致力于二维拓扑材料的实验探索,并成功地利用分子束外延技术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直接观测到一维的拓扑边界态。相关的成果已于2017年发表在Physical Review B ( Physics (

二维材料是近些年来凝聚态物理中的一个重要研究领域。其中以二硫化钼为代表的过渡金属硫化物在二维极限下展现出许多异于三维块材的奇异性质:例如间接到直接带隙转变、价带的自旋劈裂与完好定义的谷自由度。因此该类材料在光电器件方面有着重要的应用前景,同时也是研究自旋电子学与谷电子学的重要平台之一。

必发888手机版 ,如何在拓扑材料中调节超导相变是近年来的凝聚态物理中的一个研究热点,有望实现拓扑超导体。作为第Ⅱ类Weyl半金属的候选材料以及由于不饱和磁阻现象的发现,WTe2引起了学术界的广泛关注。2015年,南京大学物理学院的宋凤麒等人和中科院物理所的孙力玲等人通过高压手段分别在WTe2中独立发现了超导转变。随后,南京大学物理学院的孙建等人通过DFT计算发现,这种高压下的超导现象伴随着的结构相变。然而一直以来在常压下都没有观察到WTe2的超导转变。因此,是否在WTe2中存在拓扑与超导的共存仍然是一个有待回答的问题。考虑到高压下的结构相变会导致材料的拓扑性质发生变化,寻找一种有效的调控方法来获得WTe2常压超导是非常必要的。

该课题组通过分子束外延技术,成功地在WTe2衬底上制备出微米尺度的高质量单层alfa相Sb。单层alfa相Sb的成功制备得益于巧妙地利用了衬底的完美晶格匹配作用。扫描隧道显微镜测量显示多层的Sb薄膜仍然可以保持alfa相的结构。借助于扫描隧道显微谱的准粒子干涉测量技术,该课题组对单层Sb的能带结构进行了表征,发现在费米面处存在线性的色散关系。实验结果与第一性原理的计算结果符合的很好。实验上还发现alfa相Sb薄膜具有非常好的电导。令人意外的是,单层的alfa相Sb非常稳定,可以在空气中存在而不被氧化或分解。因此这种alfa相的Sb单层材料有望在未来的光电领域具有应用价值,更多的新奇性质有待进一步研究。

实验结果表明单层1T’-WTe2在低温下呈现绝缘行为,与单电子近似下的DFT计算结果并不一致。为解释这种矛盾现象,已经提出了若干种理论模型。然而,由于缺乏对单层1T‘-WTe2能带结构的精细理解,学术界对此问题还存在着争议。

相对于其他过渡金属硫化物,WSe2被预言具有最大的自旋劈裂,因此是研究自旋电子学的理想平台。但是受样品尺寸、质量和制备手段的限制,实验上缺乏对WSe2的能带结构及其他相关物性的详细研究。同时,人们也希望能够获得大面积高质量的单晶样品,并能够通过维度、界面控制及掺杂等调控手段对其能带结构做进一步人工调控。

电荷掺杂是一种相对常用而且有效的超导调控方法。该课题组采用液氨法成功地在WTe2单晶的范德瓦尔斯间隙中插入碱金属元素钾原子,获得了不同钾原子浓度的插层KxWTe2,如图所示。XRD精修结果显示,钾原子插层并没有明显改变WTe2的晶体结构,因此KxWTe2可能仍然保留了第二类Weyl 半金属的拓扑能带性质,而碱金属插层则主要起到了电荷掺杂的作用。图显示了电阻随温度变化的测量结果。随着温度下降,插层KxWTe2呈现出半金属特性,与未掺杂的WTe2一致;当温度到达~2.6 K附近时,电阻出现迅速的下降,并在~1.2 K完全降为零,表现出超导转变。施加外磁场可以观察到超导转变被抑制,如图插图所示。KxWTe2的超导性质表现出强烈的各向异性:沿平行于样品表面方向的临界磁场要比垂直方向的临界磁场大10倍左右。 这一性质与已经报道的一些超导体系相似,比如一些过渡金属二硫化物和铁基超导体。扫描隧道显微谱测量证实了超导能隙的存在,如图所示。