芝加哥大学普利兹克分子工程学院开发新型薄膜生长技术，获得长期寻求的二维拓扑绝缘体

  数十年来，物理学家一直在寻找一种实用的二维拓扑绝缘体：一种内部阻挡电流、边缘却能导电的超薄材料。在普通导线中，电子会不断撞击缺陷并损失能量。但在二维拓扑绝缘体的边缘，自旋相反的电子沿相反方向运动，就像单向车道上的汽车一样，因此很少发生散射和能量损失。

  如今，芝加哥大学普利兹克分子工程学院(UChicago PME)的研究人员已经证明，碲化铋超薄膜就是这样的材料。这项发表在《ACS Nano》上的研究采用了一种新方法，制备出厚度均匀的碲化铋薄膜，并证实了关于该材料性质的理论预测。

  “从严格的科学意义上说，我们首次通过确凿的光谱学证据，证明了它确实是一种二维拓扑绝缘体，”芝加哥大学普利兹克分子工程学院分子工程助理教授、该项新研究的资深作者Shuolong Yang表示，“过去人们制备这些薄膜时，单层、双层、三层或四层的区域都混杂在一起，拓扑电子性质无法被分辨出来。”

  芝加哥大学普利兹克分子工程学院分子工程助理教授Shuolong Yang

  从三维到二维

  碲化铋长期以来一直被认为是一种三维拓扑绝缘体，只在表面导电。理论物理学家预测，如果把它削减到仅有两个五原子层，总厚度两纳米，它就会变成二维拓扑绝缘体。“从三维变为二维时，所有物理原理突然都必须重新考虑，”Shuolong Yang说。

  从原理上讲，这种有时被称为量子自旋霍尔系统的体系，几乎可以做到无损耗。

  “如果我们使用这种量子自旋霍尔系统，理想情况下，我们就能实现具有量子化电导的导电边缘通道，从而无损耗地传输能量或信息，”论文*作者、Shuolong Yang实验室前博士后研究员、现为韩国嘉泉大学教授的Woojoo Lee说。

  但制备二维碲化铋已被证明十分困难。其电子性质会随厚度不同而发生显著变化，因此薄膜必须整体厚度一致，才能得出可靠结论。此前的尝试所制备的薄膜会堆积成厚度各异的微小金字塔。

  为了获得更均匀的材料，研究团队使用了分子束外延技术。这种技术在真空中将原子逐层沉积到晶体表面。在生长了数百个样品并精细调整生长条件后，研究人员找到了一种方法，使薄膜以他们所称的“地毯模式”生长。在这种模式中，薄膜连续覆盖在底层晶体微小的原子台阶上。

  此外，他们能够制备出横向尺寸达数毫米的薄膜——比早期研究产生的斑块宽数千倍——并且可以转移到其他表面。这种地毯模式通过原子级透射电子显微镜得到了实验验证，验证工作由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校Pinshane Huang教授团队以及芝加哥大学普利兹克分子工程学院Chong Liu副教授和Shirley Meng教授团队合作完成。

  光谱学证据

  在制备出这种薄膜后，团队随后采用三种不同技术来研究其性质。首先，他们使用角分辨光电子能谱来绘制其能带结构——即电子可具有的能量和动量。随着层数逐层增加，能带结构的变化与预测高度吻合。

  “它与理论几乎完美吻合，”Shuolong Yang说。“当我们*初开始看到这些结果时，实在很难相信。”

  其次，他们使用超快激光脉冲使材料的原子同步振动，并观察电子能量如何随之变化。所呈现的图样与拓扑态预期相符。*后，西北大学Mark Hersam教授实验室的合作者使用扫描隧道光谱研究了边缘态本身——同样指向这是一种二维拓扑材料。

  Shuolong Yang及其同事还证明，将*顶层转化为锰铋碲，可以拓宽带隙，即材料边缘仍可导电的能量范围。团队表示，采用这种不同的顶层后，该材料有望在接近室温的条件下工作。

  接下来，研究人员计划测量薄膜的电阻，为其拓扑性质提供*终确认。

  “到目前为止，我们开展的是光谱学研究，因此还没有进行电阻测量。但我们认为，预期的结果应该会出现——相关的物理机制是存在的，”Shuolong Yang说。“这显然是我们的下一个目标。”

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