拓撲絕緣體因其在表面或邊界處的電子態(tài)可形成無能量耗散的導電通道，在低功耗電子器件具有極大的潛在應用價值而廣受關注。在二維拓撲絕緣體中，其受保護的拓撲邊緣態(tài)將在邊界處形成一維的自旋極化電子通道，從而實現量子自旋霍爾效應。

理論研究表明，具有蜂窩狀晶格結構的薄膜是二維拓撲絕緣體的重要平臺，是實現量子自旋霍爾效應的理想材料。該體系獨特的晶格結構使其在布里淵區(qū)的K點處產生狄拉克錐型能帶結構，例如已被人們熟知的石墨烯。由于碳元素的自旋軌道耦合（SOC）強度低，石墨烯難以在狄拉克點處打開能隙，從而實現量子自旋霍爾效應。相比之下，碲元素因其強自旋軌道耦合作用，可在狄拉克點打開足夠大的能隙并產生邊緣態(tài)，成為實現室溫量子自旋霍爾效應的理想材料。然而，由于碲元素復雜的化合價態(tài)，使得由碲元素構成的蜂窩狀結構生長難度較大，而一直未被報道過。

最近，中國科學院上海高等研究院科研團隊與其合作者通過分子束外延法成功在1T-NiTe2薄膜上合成了高質量的蜂窩狀碲烯，并通過掃描隧道顯微鏡（STM）和低能電子衍射（LEED）清晰揭示了其蜂窩狀晶格結構（圖1）。

圖1碲烯的結構表征。(a) 碲烯/NiTe2異質結STM圖像。(b) 異質結LEED圖案。(c,d) 碲烯高分辨STM圖像。(e) 結構模型。

研究團隊在上海光源利用 “基于上海光源的原位電子結構綜合研究平臺(SiP.ME2)”的高精度微聚焦角分辨光電子能譜（ARPES）線站（上海光源BL03U）直接觀測到了碲烯中拓撲能隙（圖2）；并通過掃描隧道譜學（STS）技術結合能帶計算，在碲烯邊界處觀察到了拓撲邊界態(tài)（圖3）。

圖2 碲烯的電子結構表征。(a,b) 計算的碲烯能帶結構。(c,d) ARPES及其二階微分圖。

圖3 碲烯的拓撲邊界態(tài)表征。(a) STM圖像。(b) 三種位置的STS。(c) 邊界態(tài)能帶結構。(d-f) STS譜圖。

這項研究不僅首次成功合成了蜂窩狀碲烯薄膜，還為量子自旋霍爾效應的實現提供了全新的材料平臺，為未來低功耗、無能量損耗的電子器件研發(fā)奠定了堅實基礎。相關研究結果以“Realization of Honeycomb Tellurene with Topological Edge States” 為題于7月22日發(fā)表Nano Letters雜志。

此項工作由中國科學院上海高等研究院與中國科學院上海微系統(tǒng)所、上?？萍即髮W的科研團隊合作完成。中國科學院上海微系統(tǒng)所博士生劉建忠、上?？萍即髮W博士后姜琦和中國科學院上海微系統(tǒng)所博士生黃本銳為共同第一作者。中國科學院上海高等研究院葉茂研究員，上海科技大學物質學院及拓撲物理實驗室李昂研究員，上海科技大學大科學中心博士后姜琦為共同通訊作者。該工作獲得科技部國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學基金等項目的支持。

論文鏈接： https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c02171 “Realization of Honeycomb Tellurene with Topological Edge States” Nano Lett. 2024, vol.24, issue 30, page 9296–9301.