Nature：石墨烯納米帶的拓撲能帶工程

【引言】

拓撲絕緣體作為一種新興材料，其在保持材料內部絕緣的同時，又具有高度穩固的能隙表面或界面態。雖然該領域的研究大多數集中在二維或三維拓撲絕緣體和相關拓撲晶態絕緣體上，但最近理論研究已經預測石墨烯納米帶（GNRs）中存在一維對稱保護拓撲相。在拓撲相的探索中，GNRs代表了一類很有前景的支架材料，因為若在橫向上限制石墨烯的某些邊緣結構，其就會轉變為半導體。通過小分子前體的自組裝和合理設計，自下而上的GNRs合成可以對幾乎所有結構參數進行精確的原子級調控，這使得通過摻雜劑介導電子親和力的變化來探索GNRs能隙與寬度關系和帶隙工程成為可能。不同類型的GNR前體沿著縱軸融合為I型和II型異質結設計和合成的基礎，當異質結界面交叉時，GNR電子結構會從一種GNR類型連續變化到另一種GNR型。因此，這些橫向限制的GNRs，其拓撲相由寬度、邊緣形狀和終止晶體學晶胞所決定，用Z₂常量來表征（即0或1的指數，表示兩個拓撲類，類似于準一維孤子系統）。拓撲分明的GNRs界面具有不同Z₂值，可以預測其半填充電子態和能隙內的局部電子態，因而在原則上，其可用作材料工程中的工具。

【成果簡介】

近日，美國加州大學伯克利分校的Steven G. Louie教授、Michael F. Crommie教授和Felix R. Fischer教授（共通通訊作者）在國際著名期刊Nature發表了一篇題為“Topological band engineering of grapheme nanoribbons”的研究性文章。在該文中，研究人員報道了拓撲工程修飾GNR超晶格的合理設計和實驗實現，從而產生了難以獲得的電子結構；此外，該策略還能將新的終態直接設計到一維GNR超晶格的末端。原子級精確的拓撲GNR超晶格由Au（111）表面上的分子前體在超高真空條件下合成，并通過低溫掃描隧道顯微鏡（STM）和光譜學得以表征。實驗結果和第一性原理計算表明，該GNR超晶格的邊界能帶結構（滿帶和空帶）完全由相鄰拓撲界面態之間的耦合所定義，這種非凡的一維拓撲相為基??于電子拓撲學一維材料的能帶精確調控提供了一種途徑，同時其也是一種有前景的一維量子自旋物理學研究平臺。

【圖文導讀】

圖一、在Au（111）上自下而上合成7/9-AGNR超晶格

(a) 7-和9-AGNR特定末端的Z₂常量及在7/9-AGNR異質結界面處Z₂常量的示意圖；

(b) 分子前體1的合成（p-TsOH是對甲苯磺酸，AcOH是乙酸，Ac₂O是乙酸酐）；

(c) 分子前體1逐步熱誘導7/9-AGNR超晶格的面上生長示意圖；

(d) 沉積在Au(111)面上分子前體1的STM形貌；

(e, f) 200℃退火后，Au(111)面上的聚合物島(e)；300℃退火后，Au(111)面上完全成環的7/9-AGNR超晶格；

(g) 7/9-AGNR超晶格的鍵合分辨STM圖像，其顯示了異質結界面的鍵合結構； 所有STM數據均在T = 4K時測得。

圖二、7/9-AGNR超晶格的電子結構

(a) 紅色（藍色）曲線表示7-AGNR（9-AGNR）區段上收集到的dI / dV點光譜數據（針尖位置由加號標記），黑色虛線則表示裸露的Au（111）上收集到的點譜數據。插圖為7/9-AGNR超晶格的STM形貌圖像；

(b) 圖a中A、B、C和D峰對應電壓下獲得的恒定電流dI / dV圖；

(c) 利用圖d中7/9-AGNR超晶格VB、OTB、UTB和CB能量，通過DFT計算得到的LDOS圖；

(d) 通過DFT計算得到的7/9-AGNR超晶格的DOS圖。

圖三、7/9-AGNR超晶格終態的電子結構

(a) 最常見的7/9-AGNR超晶格終端的鍵合分辨STM圖像；

(b) 紅色（綠色、藍色）曲線分別表示在7/9-AGNR超晶格體內和不同末端收集到的dI/dV點光譜數據，黑色虛線則表示在裸露的Au(111)面上收集的點光譜數據；

(c) 圖b中STS的針尖位置對應的STM形貌（用加號標記），實驗dI/dV圖與不同終態相應的理論LDOS對比：分別為與終態3、UTB、終態2、OTB和終態1。

圖四、7/9-AGNR超晶格中的拓撲能帶

(a) 7/9-AGNR超晶格的線框圖示，圖上為單個孤立的界面態的疊加電荷密度， 箭頭表示通過不同AGNR段耦合界面態的跳躍幅度；

(b) OTB最大值和UTB最小值的DFT-LDA波函數由相鄰界面態波函數的成鍵和反鍵線性組合而成，其中波函數繪制在GNR原子平面上方1?的平面中，以證明鍵合對稱性；

(c)黑色實線表示了7/9-AGNR超晶格獨立的DFT-LDA能帶結構，而紅色虛線則表示與DFT OTB和UTB的緊密結合。

【小結】

在該文中，研究人員已經證明通過精心設計用于自下而上合成中使用的分子前體，可以合理地設計局部和全局GNR電子拓撲學，此外，這種方法還能用于在GNR體內以及GNR/真空終止區域中設計拓撲界面態。拓撲界面態的超晶格允許形成新的體邊界能帶（OTB和UTB），其在能量上不同于與母體7-和9-AGNR。原則上，這些拓撲誘導帶的性質可以通過保留拓撲超晶格的部分組分來精細調控，并且可以在每個具有強大自旋中心的7/9-AGNR內部界面上產生有效的反鐵磁性海森堡自旋1/2鏈。如果將其放置在超導體附近，預計這些反鐵磁鏈的末端將承載Majorana費米子態。

文獻鏈接：Topological band engineering of grapheme nanoribbons（Nature，2018，DOI：10.1038/s41586-018-0376-8）

本文由材料人計算材料組 深海萬里 供稿，材料牛整理編輯。

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