Science：Bi/SiC—高溫量子自旋霍爾材料的有望候選者

【引言】

量子自旋霍爾材料是拓撲絕緣體材料中最具代表的二維材料，其存在邊緣電導通道，可防止某些類型的散射，是無損自旋電流革命性器件的希望。但由于其能隙小，所以需要在低溫下應用（低于液態氦氣）才能避免載流子的熱激發。因此，通過增大材料的能隙值，將熱操作極限提升到室溫以上是器件性能改善的重點之一。

【成果簡介】

近日，德國維爾茨堡大學J. Sch?fer（通訊作者）在Science上發表了一篇題為“Bismuthene on a SiC substrate: A candidate for a high-temperature quantum spin Hall material”的文章。研究人員通過外延生長技術在SiC(0001)上沉積了單層蜂窩狀結構的Bi，制備得到了 Bi/SiC材料。使用掃描隧道光譜，檢測到該材料具有約~0.8 eV的間隙和與理論一致的導電邊緣態。預期通過優化外延生長，可在室溫下應用。

【圖文解讀】

圖一 Bi/SiC(0001)結構模型

(a) Bi/SiC(0001)原子堆放順序圖示；

(b) Bi完全覆蓋SiC基片的拓撲STM頂示圖；

(c) 基片臺面高度輪廓，沿(B)紅色線，臺面高度對應SiC臺面；

(d) Bi的蜂窩結構；

(e) Bi的蜂窩結構形成階段STM圖像: 左邊: 占據態; 右邊: 空態。

圖二 理論能帶結構與ARPES測量

(a) 利用HSE交換泛函進行自旋 - 軌道耦合密度泛函理論能帶結構計算，虛線為價帶；

(b) ARPES布里淵區能帶分布，K點為價帶最大值和價帶分裂與理論預測相吻合點，分光計費米能級設為0；

(c) 閉合ARPES，在寬動量范圍內，具有大誘導自旋-軌道耦合分裂的K點為價帶最大值；

(d) 不同結合能的ARPES恒定能量表面，低結合能切面密度最高，對應價帶最大值，圖譜與六方晶格K與K’點六重簡并結構一致。

圖三 Bi σ能帶低能有效模型電子結構計算

(a) s、p軌道對Bi電子結構的作用(無自旋-軌道耦合)；在各圖中，圖示大小正比于軌道的相對重量；以E_F為準，Bi/SiC P_X-和P_Y-軌道表明軌道分解；

(b) 低能有效模型的電子結構(無自旋-軌道耦合)；

(c) K點處，強原子自旋-軌道耦合夾雜產生巨大能隙；

(d) Rashba效應增大價帶極值，誘導反向自旋特性分裂。

圖四 基片臺面邊緣態隧道譜

(a) 距邊緣不同距離處的微分電導dI/dV；插圖：基片上坡臺面產生邊界處為STM測量位置；顏色編碼點與光譜顏色相關；

(b) 通過相同臺面的空間分解 dI/dV數據，間隙態dI/dV數據在膜邊緣處達到峰值，灰色虛線為dI/dV最大值；

(c) 臺面z(x)線剖面圖與Bi dI/dV數據。

【小結】

本文研究表明了基片對于控制2D量子自旋霍爾絕緣體相關軌道具有決定性作用。在Bi/SiC材料體系中，Bi單層軌道與基片共價鍵合產生了較大的拓撲能隙，使復合體系穩定化，可在常溫下應用。該項研究成果開創了增大量子自旋霍爾材料能隙的新方法，即通過使用V族元素作為基片，形成單層-基片復合材料，大幅度提高了量子自旋霍爾材料的拓撲能隙。

文獻鏈接：Bismuthene on a SiC substrate: A candidate for a high-temperature quantum spin Hall material(Science, 29 June, 2017, DOI: 10.1126/science.aai8142 )

本文由材料人編輯部陳炳旭編譯，趙飛龍審核，點我加入材料人編輯部。

材料測試，數據分析，上測試谷！