北理工姚裕貴教授團(tuán)隊(duì)預(yù)測新型量子自旋霍爾絕緣體——單層Bi4Br4
發(fā)布日期：2014-10-25 供稿：物理學(xué)院
編輯：物理學(xué)院 周格羽 閱讀次數(shù)：
圖1：單層Bi4Br4的結(jié)構(gòu)示意圖(中),，邊緣態(tài)電子結(jié)構(gòu)(左),，以及體能隙隨單軸應(yīng)力的變化(右)。
圖2：三維Bi4Br4表面上的單層臺(tái)階結(jié)構(gòu)示意圖(右),，以及單層臺(tái)階上的拓?fù)溥吘墤B(tài)電子結(jié)構(gòu)(左),。
最近，北京理工大學(xué)姚裕貴教授指導(dǎo)周金健博士生、馮萬祥博士,、劉鋮鋮博士和管閃博士生在之前工作的基礎(chǔ)上,，通過第一性原理計(jì)算，研究并預(yù)言了單層Bi4Br4體系能夠在室溫下實(shí)現(xiàn)量子自旋霍爾效應(yīng),。三維的Bi4Br4單晶是具有層狀結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體,，層間耦合是弱的范德瓦爾斯作用，因而有可能通過機(jī)械剝離的辦法制備出單層Bi4Br4,。雖然三維的Bi4Br4是普通的半導(dǎo)體,，但是它的單層結(jié)構(gòu)卻是量子自旋霍爾絕緣體,，其體能隙約為180 meV,遠(yuǎn)高于室溫條件(約26meV),。此外，如圖1（中）所示,，單層Bi4Br4的結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的各向異性,，可以看成由無限長的一維鏈并排組成，鏈間的耦合相比鏈內(nèi)耦合很弱,。這種結(jié)構(gòu)特性有利于形成原子級(jí)平整的邊緣,。局域在邊緣上的拓?fù)溥吘墤B(tài)具有單狄拉克點(diǎn)線性色散關(guān)系，是理想的無耗散導(dǎo)電通道,，如圖1（左）所示,。該工作發(fā)表在Nano Lett. 14, 4767 (2014)。隨后,，姚裕貴研究組進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),，多層Bi4Br4體系中層間耦合對(duì)費(fèi)米能級(jí)附近的低能電子結(jié)構(gòu)影響很弱。特別地,，當(dāng)單層Bi4Br4放在單晶Bi4Br4表面時(shí),，單層體系的拓?fù)溥吘墤B(tài)不會(huì)被破壞，如圖2,。這意味著,，只需要在單晶Bi4Br4表面上通過納米加工制備出單層的臺(tái)階結(jié)構(gòu)，就可以得到一維無耗散導(dǎo)電通道,，這表明該材料具有廣闊的應(yīng)用前景【arXiv:1409.0943】,。以上工作得到了國家自然科學(xué)基金委和科技部的資助。
量子自旋霍爾絕緣體,，也稱為二維拓?fù)浣^緣體,，是一類體內(nèi)絕緣，邊緣導(dǎo)電的二維材料,。它的邊緣態(tài)是由體態(tài)拓?fù)湫再|(zhì)導(dǎo)致的,，由時(shí)間反演不變性保護(hù)，不會(huì)受到非磁雜質(zhì)的背散射,，因而在低能耗電子器件中有著巨大的應(yīng)用潛力,。量子自旋霍爾絕緣體中豐富的物理內(nèi)涵和潛在的應(yīng)用價(jià)值使得它在近些年的凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)領(lǐng)域中掀起了研究的熱潮,。然而到目前為止，實(shí)驗(yàn)上僅在HgTe/CdTe和InAs/GaSb兩個(gè)量子阱體系中觀測到了量子自旋霍爾效應(yīng),。且由于體能隙太小,，它們只能在極低溫條件下工作，并且制備復(fù)雜,。因而尋找新型的能隙較大的量子自旋霍爾絕緣體材料對(duì)進(jìn)一步的理論和實(shí)驗(yàn)研究,，以及未來的器件應(yīng)用都具有至關(guān)重要的意義。
隨著石墨烯的出現(xiàn),，從范德瓦爾斯層狀化合物中剝離出的二維單層結(jié)構(gòu)引起了廣泛的關(guān)注,。這類只有單個(gè)或者幾個(gè)原子層厚度的二維材料具有不同于其三維體系的一些新奇特性,如石墨烯中的線性色散電子結(jié)構(gòu)，二硫化鉬中的谷霍爾效應(yīng)等等,。近些年來,，姚裕貴教授研究組及其合作者致力于研究這類新興二維材料中的量子自旋霍爾效應(yīng)。石墨烯是首個(gè)理論上預(yù)言的量子自旋霍爾絕緣體,，姚裕貴教授的研究發(fā)現(xiàn)石墨烯中由自旋軌道耦合打開的能隙非常小(μeV量級(jí)),，因而無法在實(shí)驗(yàn)可達(dá)的溫度范圍內(nèi)工作【Phys. Rev. B 75,041401(R) (2007)，引用266次】,。隨后姚裕貴教授研究組又研究了硅的單層六角蜂窩結(jié)構(gòu)-硅烯,，并預(yù)言了硅烯在18K溫度下可以實(shí)現(xiàn)量子自旋霍爾效應(yīng)【Phys. Rev. Lett. 107, 076802 (2011)，引用253次】,。
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