中国科学院物理研究所
北京凝聚态物理国家研究中心
EX7组供稿
第19期
2016年05月20日
大能隙二维拓扑绝缘体ZrTe5观测到拓扑边界态
众所周知，二维拓扑绝缘体的体内是绝缘的，而其边界是无能隙的金属导电态。且这种金属态中存在自旋－动量的锁定关系，相反自旋的电子向相反的方向运动，由于受到时间反演不变性的保护，它们之间的散射是禁止的，因此是自旋输运的理想“双向车道”高速公路，可用于新型低能耗高性能自旋电子器件。当前实验已经确定具有量子自旋霍尔效应的二维拓扑绝缘体有HgTe/CdTe和InAs/GaSb量子阱。但它们的样品制备需要精准的调控，不利于规模化生产；体能隙小，在极低温下才能显示出量子自旋霍尔效应。这些都阻碍了二维拓扑绝缘体的实际应用。一个好的二维拓扑绝缘体必须：1）具有层状结构，易于得到化学稳定的二维系统；2）体能隙大，在室温下就能应用于日常电子器件。寻找理想的大能隙二维拓扑绝缘体近年来一直是该研究领域的重要研究方向。
人们已经理论预言了多种大能隙二维拓扑绝缘体，如双层Bi（111），并通过扫描隧道显微镜在双层Bi（111）膜的边界观测到一维拓扑边界态，但在远离边界的地方没有观测到态密度为零的能隙，说明目前制备的双层Bi（111）膜的体态不是绝缘的，阻碍了量子自旋霍尔效应的测量和实际应用。除了薄膜之外，在二维拓扑绝缘体堆积的单晶表面台阶处也可以获得一维拓扑边界态。原则上，具有台阶的表面可以看成将二维单层膜放在衬底之上，这时单层膜和衬底有相同的化学组分。拓扑边界态在Bi和Bi14Rh3I9单晶表面台阶处也已经观测到，但在远离台阶的地方，能隙中仍有非零的态密度。在表面台阶处实现拓扑边界态需要满足一些必要条件：1）单层是二维拓扑绝缘体；2）较弱的层间耦合，否则会失去原有的拓扑边界态的性质；3）堆积成的单晶必须是弱拓扑绝缘体，否则对于强拓扑绝缘体，台阶处拓扑边界态和强拓扑绝缘体拓扑表面态杂化，也会失去原有的拓扑边界态性质。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）的理论计算、材料制备和谱学测量的研究团队紧密合作，证实了ZrTe5单晶满足以上三个必要条件，提供了表面台阶处具有拓扑边界态的证据。2014年，翁红明副研究员、戴希研究员、方忠研究员预言单层ZrTe5和HfTe5是大能隙的二维拓扑绝缘体，组成的块材单晶在强拓扑和弱拓扑绝缘体的拓扑量子临界点附近［PRX 4, 011002 (2014)］。陈根富研究组的博士生赵凌霄生长出高质量ZrTe5单晶样品。潘庶亨研究组的博士生武睿和丁洪研究组的博士生马均章和钱天副研究员分别利用扫描隧道显微镜（STM）和角分辨光电子能谱（ARPES）对ZrTe5单晶解理表面电子态进行测量。他们通过角分辨光电子能谱测量，发现ZrTe5垂直表面的电子结构只有很弱的色散（图2e），表明其层间耦合很弱。角分辨光电子能谱观测到价带和能带在布里渊区Gamma点费米能级处形成一个100meV的能隙，并且在能隙中没有表面态（图3）。低温扫描隧道显微谱（STS）测量确定了在ZrTe5单晶表面远离台阶处，能隙中态密度为零（图1c）。这些实验不仅确定了ZrTe5是弱拓扑绝缘体，而且揭示了绝缘的体态，这对于进一步的量子自旋霍尔效应的观测和实际应用非常重要。扫描隧道显微谱进一步观测到在台阶处的能隙内有几乎为常数的有限态密度（图4a,c）。方忠、戴希研究组的博士生聂思敏和翁红明副研究员进行了第一性原理计算，计算结果与实验结果非常吻合，并证实了表面台阶处边界态的拓扑非平庸性质（图4b,d）。
这个工作是首次在具有大能隙的绝缘体态，即能隙中态密度为零，材料的边界观测到一维拓扑边界态，有利于高温下量子自旋霍尔效应的观测和实际应用。这一研究成果发表在Physical Review X 6, 021017 (2016)上。
该工作得到了科技部973项目（2015CB921300、2013CB921700、2011CBA00108）、国家自然科学基金委（11227903、11474340、11422428、11274362、11234014）和中国科学院先导B项目（XDB07000000）的支持。
相关工作链接：
http://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.4.011002
http://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.6.021017
人们已经理论预言了多种大能隙二维拓扑绝缘体，如双层Bi（111），并通过扫描隧道显微镜在双层Bi（111）膜的边界观测到一维拓扑边界态，但在远离边界的地方没有观测到态密度为零的能隙，说明目前制备的双层Bi（111）膜的体态不是绝缘的，阻碍了量子自旋霍尔效应的测量和实际应用。除了薄膜之外，在二维拓扑绝缘体堆积的单晶表面台阶处也可以获得一维拓扑边界态。原则上，具有台阶的表面可以看成将二维单层膜放在衬底之上，这时单层膜和衬底有相同的化学组分。拓扑边界态在Bi和Bi14Rh3I9单晶表面台阶处也已经观测到，但在远离台阶的地方，能隙中仍有非零的态密度。在表面台阶处实现拓扑边界态需要满足一些必要条件：1）单层是二维拓扑绝缘体；2）较弱的层间耦合，否则会失去原有的拓扑边界态的性质；3）堆积成的单晶必须是弱拓扑绝缘体，否则对于强拓扑绝缘体，台阶处拓扑边界态和强拓扑绝缘体拓扑表面态杂化，也会失去原有的拓扑边界态性质。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）的理论计算、材料制备和谱学测量的研究团队紧密合作，证实了ZrTe5单晶满足以上三个必要条件，提供了表面台阶处具有拓扑边界态的证据。2014年，翁红明副研究员、戴希研究员、方忠研究员预言单层ZrTe5和HfTe5是大能隙的二维拓扑绝缘体，组成的块材单晶在强拓扑和弱拓扑绝缘体的拓扑量子临界点附近［PRX 4, 011002 (2014)］。陈根富研究组的博士生赵凌霄生长出高质量ZrTe5单晶样品。潘庶亨研究组的博士生武睿和丁洪研究组的博士生马均章和钱天副研究员分别利用扫描隧道显微镜（STM）和角分辨光电子能谱（ARPES）对ZrTe5单晶解理表面电子态进行测量。他们通过角分辨光电子能谱测量，发现ZrTe5垂直表面的电子结构只有很弱的色散（图2e），表明其层间耦合很弱。角分辨光电子能谱观测到价带和能带在布里渊区Gamma点费米能级处形成一个100meV的能隙，并且在能隙中没有表面态（图3）。低温扫描隧道显微谱（STS）测量确定了在ZrTe5单晶表面远离台阶处，能隙中态密度为零（图1c）。这些实验不仅确定了ZrTe5是弱拓扑绝缘体，而且揭示了绝缘的体态，这对于进一步的量子自旋霍尔效应的观测和实际应用非常重要。扫描隧道显微谱进一步观测到在台阶处的能隙内有几乎为常数的有限态密度（图4a,c）。方忠、戴希研究组的博士生聂思敏和翁红明副研究员进行了第一性原理计算，计算结果与实验结果非常吻合，并证实了表面台阶处边界态的拓扑非平庸性质（图4b,d）。
这个工作是首次在具有大能隙的绝缘体态，即能隙中态密度为零，材料的边界观测到一维拓扑边界态，有利于高温下量子自旋霍尔效应的观测和实际应用。这一研究成果发表在Physical Review X 6, 021017 (2016)上。
该工作得到了科技部973项目（2015CB921300、2013CB921700、2011CBA00108）、国家自然科学基金委（11227903、11474340、11422428、11274362、11234014）和中国科学院先导B项目（XDB07000000）的支持。
相关工作链接：
http://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.4.011002
http://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.6.021017
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| 图1：ZrTe5晶体结构和STM表面形貌图。STM在表面远离台阶处观测到100meV的能隙，能隙中的态密度为零（图1c插图）。 |
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| 图2：ZrTe5单晶电子结构的ARPES测量结果，与能带计算吻合。图2e中垂直表面的轻微能带色散标志ZrTe5单晶非常弱的层间耦合。 |
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| 图3：轻微电子掺杂的ZrTe5单晶电子结构的ARPES测量结果，证实了费米能级处100meV的能隙，并且能隙中没有表面态，确定了ZrTe5单晶是弱拓扑绝缘体。 |
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| 图4：STS测量揭示表面台阶处能隙中几乎常数的有限态密度，表明台阶处存在边界态。计算结果与实验结果吻合，并且证实了边界态的拓扑性质。 |