中国科学院物理研究所
北京凝聚态物理国家研究中心
SF9组供稿
第40期
2022年05月16日
呼吸笼目半导体中的拓扑平带

  晶格结构、拓扑和磁性之间的相互作用会赋予材料丰富的物性,一个典型的案例是二维笼目(kagome)晶格。若采取简单的紧束缚模型计算,只考虑最近邻格点间的电子跳跃,可得到其特征性的能带结构——狄拉克锥与拓扑平带并存。该平带起源于kagome晶格中近邻格点间电子跃迁波函数的相位相消,并且受镜面对称性的保护。由于平带中存在大量的能量简并的电子,因此电子关联效应非常强,可诱导出多种奇特的物态,如关联绝缘态、超导、分数量子霍尔效应等。近年来,人们利用角分辨光电子能谱(ARPES)技术,在一系列kagome金属中观测到了拓扑平带和狄拉克电子态,例如Fe3Sn2、FeSn、CoSn、YMn6Sn6。然而,这些材料均为金属,费米能级附近不存在能隙,因此无法应用于逻辑和光电器件。另一方面,真正意义的kagome晶格为单层材料,而此前发现的kagome材料均为体材料,其层间作用较强,难以通过剥离方式获得单层或少层。分子束外延法的生长条件较为苛刻,比如仅适用于特定的衬底、单畴的面积较小(通常只有几十纳米)等。因此,实现具有大能隙并且可剥离的kagome材料具有重要的理论和实用价值。

  最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心SF09组冯宝杰特聘研究员、陈岚研究员、吴克辉研究员与SF10组孟胜研究员、怀柔研究部石友国研究员合作,指导博士生孙振宇、周辉、王翠香等,首次实现了具有半导体特性,并且可剥离到单层的kagome材料Nb3Cl8,并且利用ARPES观测到了拓扑平带。

  Nb3Cl8中的Nb原子形成的是呼吸笼目(breathing kagome)晶格,相较于传统的kagome晶格,这种晶格不具有空间反演对称性,打开了狄拉克锥的能隙,形成半导体性的基态。另一方面,breathing kagome晶格仍然保留镜面对称性,受它的保护拓扑平带仍然存在(图1)。通过改变光子能量和偏振依赖的ARPES测量,他们观测到了一条跨越整个布里渊区的平带(图2),与计算结果吻合。进一步的理论计算表明该能带具有拓扑性。由于Nb3Cl8单晶层间相互作用很弱,很容易地被剥离至少层和单层(图3)。实验上通过差分透射谱的测量,他们证实了该材料具有约1.1 eV的光学带隙,且单层样品在空气中非常稳定(图3)。另外,第一性原理计算表明,单层Nb3Cl8具有铁磁性和高阶拓扑性。这些奇特的物性有待进一步的理论和实验研究。

  相关成果以“Observation of topological flat bands in the kagome semiconductor Nb3Cl8”为题发表在Nano Letters上(doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c00778)。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部、北京市自然科学基金、中科院国际合作项目以及中科院先导B等项目的资助。


图1 :传统kagome晶格和breathing kagome晶格的结构模型和电子结构


图2:Nb3Cl8的ARPES测量结果


图3:Nb3Cl8的机械剥离及光学吸收