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2018年10月12日
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李绍春课题组在单层1T’-WTe2中发现库仑能隙

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(2014)】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。

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 (https://doi.org/10.1103/PhysRevB.96.041108)。值得一提的是,美国斯坦福大学的实验小组也在同时期独立报道了类似的工作【Nature Physics (https://doi.org/10.1038/NPHYS4174)】。

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。

近日,我校物理学院李绍春教授课题组在二维拓扑绝缘体的研究方面又取得了重要进展,他们借助高分辨的扫描隧道显微谱和准粒子干涉技术精确地表征了单层-1T’-WTe2的能带结构,确定了其为半金属型能带,解决了一直以来存在的争议。同时,他们在费米面附近观察到一个独特的能隙。通过扫描隧道显微谱实验,发现该能隙一直被钉扎在费米面处,并且可以随着费米能级的位置调控而移动。通过分析,他们发现这个能隙并不是一直以来被人们认为的自旋轨道耦合带隙,而是由于电子-电子相互作用而打开的库仑能隙。库仑带隙的打开可以有效地抑制WTe2体电导的干扰,导致低温下的绝缘行为,从而使得更容易观察到量子化的拓扑边界电导。根据安德森局域化理论,这种库仑能隙很可能也存在于其它的二维体系之中。

相关研究成果于2018年10月4日以”Observation of Coulomb gap in the quantum spin Hall candidate single-layer 1T’-WTe2”为题发表于《自然.通讯》(https://doi.org/10.1038/s41467-018-06635-x)。pt老虎机游戏物理学院博士研究生宋业恒和贾振宇为论文共同第一作者,李绍春教授为论文的通讯作者。DFT理论模拟由物理学院张海军教授课题组完成。该系列工作一直以来得到了邢定钰院士的大力支持。

特别感谢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、国家科技部重大研究计划,国家自然科学基金面上项目、中组部青年千人计划、江苏省双创人才和六大人才高峰等项目提供的资金资助。

图1. 单层WTe2 的STM形貌图和STS谱. (a) 石墨烯上生长单层WTe2原子模型 (b) 单层WTe2原子分辨图. (c) 单层WTe2对应的布里渊区. (d) STS谱随空间位置的变化, 红色和蓝色箭头分别对应库仑能隙和价/导带的交叠区域. (e)(f), 两个典型能量的dI/dV maps, 准粒子干涉产生的空间波动清晰可见.

图2. 准粒子干涉图样与傅立叶变换结果. (a-d)不同能量下的准粒子干涉图案的傅立叶变换结果. (e) 沿着Y-Γ-Y 方向的能带结构示意图. (f) 由实验得到的Y-Γ-Y 方向的E-q 能带色散关系.

(物理学院 科学技术处)