南京大學李紹春團隊重大發現：單層1T’-WTe2中的庫侖能隙

【引言】

二維拓撲絕緣體（2DTIs）具有量子自旋霍爾（QSH）效應，在未來低功耗自旋電子器件及量子計算中具有潛在的應用前景。它的體能帶具有帶隙，源于自旋軌道耦合（SOC）效應；邊界處具有拓撲保護的無帶隙金屬態，并具有自旋-動量鎖定特性。一直以來，研究人員都在著力尋找可以實際應用的2DTI材料。然而，有效地抑制體電導從而實現量子自旋霍爾（QSH）效應卻極具挑戰。最近，理論和實驗都表明單層1T‘-WTe₂可能是一種2DTI材料。

存在的爭議：實驗結果表明單層1T’-WTe₂在低溫下呈現出絕緣行為，這與單電子近似下的DFT計算結果并不一致。為解釋這種矛盾現象，學術界已經提出了若干種理論模型。然而，由于缺乏對單層1T’-WTe₂能帶結構的充分理解，學術界對此問題仍存在爭議。

【成果簡介】

近日，南京大學李紹春教授（通訊作者）課題組在二維拓撲絕緣體研究領域取得重大進展，研究人員借助高分辨掃描隧道顯微鏡和準粒子干涉技術，精確表征了單層1T’-WTe₂的能帶結構，確定其為半金屬型能帶，解決了一直以來存在的爭議。同時，研究人員在費米面附近觀察到一個獨特的能隙。通過STM表征，發現該能隙一直被釘扎在費米面處，并且可以隨著費米能級的位置調控而移動。通過分析，研究人員發現該能隙不同于自旋軌道耦合（SOC）帶隙，它是由于電子-電子相互作用而打開的庫侖能隙。庫侖能隙的打開可以有效地抑制WTe₂體電導的干擾，導致低溫下的絕緣性行為。 同時，庫侖能隙對邊緣態并沒有影響，從而更容易觀察到量子化的拓撲邊界態電導。該研究成果以題為“Observation of Coulomb gap in the quantum spin Hall candidate single-layer 1T’-WTe₂”發表在國際著名期刊Nature Communications上。

【圖文導讀】

圖一? 單層1T’-WTe₂ 的STM形貌圖和STS譜

(a) 生長在雙層石墨烯/SiC襯底上的單層1T’-WTe₂原子結構模型；

(b, c) 單層1T’-WTe₂原子分辨STM圖像及對應的布里淵區；

(d) STS微分電導譜隨空間位置的變化圖，其中紅色和藍色箭頭分別對應庫侖能隙和價/導帶的交疊區域；

(e, f) 兩個典型能量的dI/dV 圖。

圖二? 準粒子干涉圖樣與不同偏置能量下的快速傅立葉變換（FFT）圖

(a-d) 不同能量下，準粒子干涉圖案的快速傅立葉變換結果；

(e) 沿著Y-Γ-Y 方向的能帶結構示意圖；

(f) 由實驗得到的Y-Γ-Y 方向的E-q 能帶色散關系。

圖三? 準粒子干涉（QPI）圖樣與DFT模擬結果比較

(a, b) +70和-80 mV下， dI / dV圖的快速傅里葉變換（FFT）圖像；

(c, d) E = + 100 mV和E = -70 mV的恒定能量等值線示意圖；

(e, f) 基于圖c、d的DFT模擬準粒子干涉圖樣。

圖四 不同鉀覆蓋度下1T’-WTe₂表面的STS譜圖

(a, b)±1V（a）與±200mV（b）的dI/dV微分電導譜，黑色和灰色三角標記的是微分電導譜中的特征點，紅色短線標記庫侖能隙的位置；

(c) 圖b的放大圖，其顯示費米能級附近的DOS；

(d) 圖a、b中標記特征位置與鉀覆蓋度的依賴關系圖。

【小結】

在該文中，研究人員已經對單層1T'-WTe₂進行了高分辨率QPI-STS / STM表征，并驗證了其半金屬型能帶結構，在Γ點附近存在能帶反轉，但是并沒有完整的SOC誘導體帶隙。在這個二維局域電子系統中，研究人員還發現了由電子相互作用而引起的庫侖能隙。單層QSH系統中庫侖能隙的存在，對于抑制體帶貢獻并且分離拓撲邊緣態起到至關重要的作用，能夠極大地促進QSH效應的實現。

文獻鏈接：Observation of Coulomb gap in the quantum spin Hall candidate single-layer 1T’-WTe₂（Nature Communications，2018，DOI：10.1038/s41467-018-06635-x）

【通訊作者介紹】：

李紹春，南京大學物理學院教授。主要從事表面物理/化學研究。利用分子束外延技術進行低維薄膜材料生長，并利用高分辨掃描隧道顯微鏡研究電子/自旋的基態和激發態，尋找和發現新奇的量子特性。研究對象集中于分子功能材料，能源材料，金屬/半導體表面，氧化物以及其他新穎的量子體系。多次以主要作者身份在Science, Phys. Rev. Lett.，J. Am. Chem. Soc.，Nature 子刊等學術期刊撰文。

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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