Nature Communications. :WTe2臺階處拓撲邊界態觀測

【引言】

按照導電性質的不同材料可分為“金屬”和“絕緣體”兩大類；根據電子態的拓撲性質的不同，絕緣體又分為拓撲絕緣體和其他普通絕緣體。拓撲絕緣體的體電子態具有能隙，而其邊界或表面存在由對稱性保護的無能隙的金屬態，這是它有別于普通絕緣體的獨特之處。這種拓撲邊緣態受體內部拓撲特性的保護而穩定存在。拓撲絕緣體的表面電子可以不受雜質散射，使其表面態和邊緣態具有很低的電阻，且內部絕緣體又防止漏電，因而拓撲絕緣體在低功耗器件以及新型電子器件中具有潛在應用價值。

【成果簡介】

近日，華中科技大學付英雙教授和上海科技大學李剛教授（共同通訊作者）報道了利用低溫掃描隧道顯微鏡在過渡金屬硫族化合物WTe₂的臺階處直接觀測到一維導電邊界態的研究工作。所觀測的一維導電邊界態在材料邊緣處穩定存在，且不受邊緣具體結構的影響。另外，通過第一性原理計算，也證實了WTe₂臺階處一維邊界態的拓撲性，且該拓撲性不受材料所在襯底影響。相關成果以題為“Observation of topological states residing at step edges of WTe₂”發表在了Nature Communication上。

【圖文導讀】

圖1. WTe₂及其臺階處形貌結構

(a).WTe₂臺階的晶體結構示意圖。

(b). WTe₂的STM圖分辨出其表面原子。

(c).WTe₂臺階的3D像。

(d, e).對應于(c)中紅色和綠色箭頭處的原子缺陷，兩個表面的缺陷呈現鏡面對稱特征。

圖2. WTe₂邊緣態觀測

(a).沿圖1(c)中黑色線測量得到的二維微分電導圖。

(b).對應于(a)中測量位置的臺階高度輪廓圖。

(c).臺階邊緣處隧道譜(紅線)，臺階內部位置隧道譜(黑線)，譜線由(a)中紅色和黑色三角形標志處提取。

(d).DFT計算WTe₂體材料的態密度。

(e).沿a-方向單層臺階高度處STM圖。

(f).對應于(e)中區域不同電壓下的微分電導像。

(g).對應于(f)中綠色箭頭所示截線處輪廓。

圖3. WTe₂中非整齊邊界處的邊緣態

(a).具有不規整邊緣結構的單層臺階處STM圖。

(b).不同電壓下(a)中區域的微分電導像。

(c).對應(b)中綠色箭頭所示截線處輪廓。

(d).對應(b)中紅色點位置的隧道譜。

圖4. WTe₂中一維拓撲邊緣態的理論計算

(a).利用緊束縛模型計算得到的單層1T’型WTe2電子結構的拓撲邊緣態。

(b).邊緣態處的自旋極化。

(c).第一性原理計算具有完全無束縛邊緣的單層1T’ WTe₂的電子結構。

(d).第一性原理計算雙層1T’ WTe₂臺階處的電子結構。

(e, f).實空間中邊緣態電荷分布。

【小結】

該工作利用掃描隧道顯微鏡直接觀測到了1T’型WTe₂臺階處的一維導電邊界態，首次從實驗上驗證了1T’相過渡硫族化合物的拓撲特性。為利用構建臺階陣列實現多導電通道器件提供了思路。此外，該工作從理論上證實了壓力下WTe₂中超導性與拓撲性可共存，使WTe₂邊緣成為構建拓撲超導體的新平臺。

文獻鏈接：Observation of topological states residing at step edges of WTe2 (Nat. Commun.，2017，DOI: 10.1038/s41467-017-00745-8)

本文由材料人電子電工學術組任丹丹供稿，材料牛整理編輯。

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