復旦大學修發賢課題組發現新型可解離準二維拓撲半金屬材料

【引言】

近日，復旦大學物理學系修發賢課題組完成關于新型可解離準二維拓撲半金屬材料的工作，發表于《自然·亞洲材料》(NPG Asia Materials 8, e325 (2016))。物理系博士生袁翔和張成為文章共同第一作者,論文的合作者為物理系晏湖根教授。

拓撲半金屬材料，由于其卓越的物理特性，如超高的遷移率和可調帶隙，在脈沖激光、高頻器件、彈道輸運器件以及基于手性的新型電池方面有著巨大的應用前景。而研究這些新奇材料的新奇物理特性是實現其應用的前提條件。研究者通過強磁場下的光譜和輸運研究，證明五碲化鋯材料同時具有拓撲半金屬和準二維的特性。拓撲半金屬的元激發準粒子，具有線性色散無質量特性的狄拉克費米子，導致其高磁阻，抑制散射，高遷移率等優越的電學特性。另一方面，可解離的二維材料諸如二硫化鉬等具有柔性、透明、優異的光學和電學特性等特性，被視為新一代電器和光電設備的候選材料。與著名的石墨烯不同的是，同時具有這兩種優異性能是在五碲化鋯的體態中發現的。而石墨烯一旦進入雙層，準二維的半金屬性質會被破壞。由于具備準二維特性，五碲化鋯低溫電導呈現出量子化現象。理論預言在單層情況下，可以打開能隙實現量子自旋霍爾效應和低能耗傳輸，這是除HgTe之外的又一優秀材料體系，蘊含著豐富的量子態特性。

【圖文導讀】

圖1： 線性色散形成的朗道能級與允許的光學躍遷。

圖2：與根號磁場線性關系回旋共振，無質量費米子的特有現象。

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圖3：五碲化鋯非平庸的拓撲性質和微小的有效質量。

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圖4：五碲化鋯強烈的二維特征和準二維費米面。只有垂直于二維平面的磁場分量才對體系產生影響。

圖5：五碲化鋯強烈的各項異性。面外方向電子有效質量比面內大兩個數量級。

研究人員在強磁場下測量光譜發現了與傳統回旋共振不符合的朗道量子化現象，共振頻率不與磁場成正比，通過仔細分析，發現了五碲化鋯中存在的線性色散。進一步比較輸運測量的貝利相位，驗證了體系非平庸的拓撲性質。面內極小費米子的有效質量很好的佐證了這一實驗結論。通過全角度測試，研究人員發現系統的磁場響應隨著角度具有三角函數的關系，證明了體系的二維特性并由體態量子霍爾平臺進一步地得到驗證。詳盡的空間實驗具體地描繪出了準二維的費米面。通過比較各角度下的輸運數據，發現系統在垂直于二維費米面方向，具有很大的有效質量。

在膠帶解離五碲化鋯的過程中，研究人員還注意到該材料可以被解離成長寬比過千的納米帶。分析原因是二維層內碲-碲鍵的作用力也很弱。這就提供了用機械剝離的方法，來獲得準一維材料的機會，為研究低維性質提供全新的思路。

課題組自從2013年以來，在新型狄拉克材料砷化鎘和五碲化鋯的研究方向取得了一定的成果：1)證明砷化鎘在打破對稱性的情況下發生狄拉克到外爾態的轉變（Nature communications 6, 7779 (2015))。這一研究是國際上第一個關于狄拉克半金屬磁致相變的實驗研究，并從實驗上提供了通過破壞晶體對稱性產生外爾費米子的直接證據。2) 發現五碲化鋯的費米能級比較低，容易進入量子極限，從而產生很強的多體相互作用而引發的自旋密度波相變,使原本無質量的狄拉克電子產生質量（Nature Communications 7, 12516 (2016))。

以上工作獲得了復旦大學物理系、應用表面物理國家重點實驗室、國家青年千人計劃、優秀青年基金等基金委項目的支持。

原文鏈接：?Observation of quasi-two-dimensional Dirac fermions in ZrTe5

修發賢老師簡介

修發賢教授主要從事半導體材料，狄拉克材料和器件物理方面的研究。在過去的十余年中，在學術期刊Nature Materials, Nature Nanotechnology, Nature Communications, NPG Asia Materials, JACS, Nano Letters等發表SCI論文90余篇。目前的工作重點在于新型狄拉克材料的生長、量子調控以及新型二維原子晶體的器件研究。

基本履歷如下：

2007年獲得加州大學河濱分校的博士學位。

2008至2011年在加州大學洛杉磯分校電子工程系做博士后研究。

2011年擔任愛荷華州立大學電子工程系助理教授。

2012年入選國家青年千人計劃，2013年入職復旦大學。

2014年獲得優青和浦江人才計劃支持。

修老師作品精選

1) J. Cao, S. Liang, C. Zhang, Y. Liu, J. Huang, Z. Jin, Z.-G. Chen, Z. Wang, Q. Wang, J. Zhao, S. Li, X. Dai, J. Zou, Z. Xia, L. Li, F. Xiu*, “Landau level splitting inn Cd₃As₂?under high magnetic fields, Nature Communications 6, 7779 (2015).

2) Yanwen Liu, Cheng Zhang, Xiang Yuan, Lei Tang, Chao Wang, Domeico Di Sante, Awadhesh Narayan, Liang He, Silvia Picozzi, Stefano Sanvito, Renchao Che, Faixan Xiu*, “Gate-tunable quantum oscillations in ambipolar Cd₃As₂?thin films”, NPG Asia Materials 7, e221 (2015).

3) C. Zhang, Y. Liu, X. Yuan, W. Wang, S. Liang, F. Xiu*, “Highly tunable Berry phase and ambipolar filed effect in topological crystalline insulator Pb_1-xSn_xSe”, Nano Letters 15 (3), pp 2161–2167 (2015).

4) Weiyi Wang, Awadhesh Narayan, Lei Tang, Kapildeb Dolui, Yanwen Liu, Xiang Yuan, Yibo Jin, Yizheng Wu, Ivan Rungger, Stefano Sanvito, Faxian Xiu*, “Spin-valve Effect in NiFe/MoS₂/NiFe Junctions”, Nano Letters 15 (8), pp 5261–5267 (2015).

5) C. Zhang, X. Yuan, K. Wang, Z.-G. Chen, B. Cao, W. Wang, Y. Liu, J. Zou, F. Xiu*, “Observations of a Metal-Insulator Transition and Strong Surface States in Bi_2-xSb_xSe₃Thin Films”, Advanced Materials 26, 7110-7115 (2014).

6) Faxian Xiu*, Liang He, Yong Wang, Lina Cheng, Li-Te Chang, Murong Lang, Guan Huang, Xufeng Kou, Yi Zhou, Xiaowei Jiang, Jin Zou, Alexandros Shailos, and Kang L. Wang*, “Manipulating surface states in topological insulator nanoribbons”, Nature Nanotechnology 6, 216-221(2011).

7) Faxian Xiu, Yong Wang, Jiyoung Kim, Augustin Hong, Jianshi Tang, Ajey P. Jacob, Jin Zou, and Kang L. Wang*, “Electric field controlled ferromagnetism in high Curie temperature Mn_0.05Ge_0.95?quantum dots”, Nature Materials 9 (4), 337-344 (2010).

8) Jingwei Bai, Rui Cheng, Faxian Xiu, Lei Liao, Minsheng Wang, Alexandros Shailos, Kang L. Wang, Yu Huang, and Xiangfeng Duan*, “Observation of very large tunable negative magnetoresistance in graphene nanoribbon field-effect transistors”, Nature Nanotechnology 5, 655-659 (2010).

9)?Yanwen Liu, Xiang Yuan, Cheng Zhang, Zhao Jin, Awadhesh Narayan, Chen Luo, Zhigang Chen, Lei Yang, Jin Zou, Xing Wu, Stefano Sanvito, Zhengcai Xia, Liang Li, Zhong Wang, Faxian Xiu*, ?”Zeeman splitting and dynamical mass generation in Dirac semimetal ZrTe5“, Nature Communications 7, 12516 (2016).

本文由OH+供稿，材料人網編輯整理，感謝修發賢老師對本稿件的校對指導。

修發賢老師課題組主頁：http://www.physics.fudan.edu.cn/tps/people/fxxiu/research/

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