北京大學&中科院物理所Science Bulletin：單層二硫化鉬中受拓撲保護的相邊界

【前言】

量子自旋霍爾絕緣體具有受拓撲保護的邊緣態，這在低功耗新型電子器件中有著廣泛和深遠的應用前景。傳統量子自旋霍爾絕緣體如HgTe和InAs量子阱等，由于其帶隙過小和合成復雜限制了其實際應用。具有1T’相的二維過渡金屬二硫屬化物是一種新的大帶隙二維拓撲絕緣體家族，可以促進量子自旋霍爾絕緣體在近室溫和實際環境中的應用。但是，對于大多數過渡金屬二硫屬化物，1T’相相比于拓撲平庸的2Ｈ相并不穩定。另一方面，對于純1T’相，邊緣密度太低大大限制了其未來的高集成度應用，活性邊緣暴露于空氣也可能會降低其性能。在二維過渡金屬二硫屬化物內部創建連續的拓撲相邊界是一個可能的解決方案。

【成果簡介】

最近，在北京大學的江穎和馮濟課題組以及中科院物理研究所的張廣宇課題組的合作研究中，他們利用氬等離子體處理單層二硫化鉬薄膜，得到了高密度的拓撲相邊界，并且在邊界上觀測到了拓撲邊緣態。他們發現在氬等離子體處理后，原始的單層2H相二硫化鉬薄膜中包含亞穩的1T’相，掃描隧道顯微鏡證實了1T’相的扭曲的八面體結構特征，掃描隧道譜顯示其具有60meV帶隙。他們發現1T’相的穩定是拉伸應力和硫空位的協同作用結果。在2H和1T’的相界處，他們進一步通過掃描隧道譜觀察到了邊緣態的存在，并且通過第一性原理計算對其非平庸的拓撲性質進行了證實。不同于一般二維材料幾何終止的邊界，這些拓撲非平庸的相邊界不會受到雜質分子吸附污染和結構無序的影響，為拓撲邊緣態的研究和新型電子器件中的應用提供了理想的平臺。

這種簡單干凈無損的相調控方法可以很容易地推廣到其他二維過渡金屬二硫屬化物。結合掩膜版或聚焦離子束/激光束技術，甚至可以在2H相內繪制出帶狀的1T’相圖案，構建由高密度一維拓撲導電通道組成的低功耗拓撲電路。這種策略與最新的光刻技術兼容，可以促進低耗散高集成度可擴展的電子學和自旋電子學器件的實現。

該項目由國家重點研發計劃(2016YFA0300901 和?2017YFA0205003)，國家自然科學基金 (11634001, 11834017 和?61888102)，中國科學院重點研究計劃 (XDPB08-2)，國家杰出青年科學基金(21725302)和中國科學院戰略重點研究計劃(XDB30000000)提供支持。

【圖文導讀】

圖1. 通過不同時長氬等離子處理誘導二硫化鉬相變

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圖2.?在單層二硫化鉬2H和1T’ 拓撲相界上的邊緣態

文章信息：

Zhichang Wang, Xiaoqiang Liu, Jianqi Zhu, Sifan You, Ke Bian, Guangyu Zhang, Ji Feng, Ying Jiang. Local engineering of topological phase in monolayer MoS₂. Science Bulletin, 2019, 64(23)1750–1756，doi: 10.1016/j.scib.2019.10.004

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927319305869

http://engine.scichina.com/doi/10.1016/j.scib.2019.10.004

本文由作者供稿。

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