中國科學院物理研究所
北京凝聚態物理國家研究中心
SF9組供稿
第40期
2022年05月16日
呼吸籠目半導體中的拓撲平帶

  晶格結構、拓撲和磁性之間的相互作用會賦予材料豐富的物性,一個典型的案例是二維籠目(kagome)晶格。若采取簡單的緊束縛模型計算,只考慮最近鄰格點間的電子跳躍,可得到其特征性的能帶結構——狄拉克錐與拓撲平帶并存。該平帶起源于kagome晶格中近鄰格點間電子躍遷波函數的相位相消,并且受鏡面對稱性的保護。由于平帶中存在大量的能量簡并的電子,因此電子關聯效應非常強,可誘導出多種奇特的物態,如關聯絕緣態、超導、分數量子霍爾效應等。近年來,人們利用角分辨光電子能譜(ARPES)技術,在一系列kagome金屬中觀測到了拓撲平帶和狄拉克電子態,例如Fe3Sn2、FeSn、CoSn、YMn6Sn6。然而,這些材料均為金屬,費米能級附近不存在能隙,因此無法應用于邏輯和光電器件。另一方面,真正意義的kagome晶格為單層材料,而此前發現的kagome材料均為體材料,其層間作用較強,難以通過剝離方式獲得單層或少層。分子束外延法的生長條件較為苛刻,比如僅適用于特定的襯底、單疇的面積較?。ㄍǔV挥袔资{米)等。因此,實現具有大能隙并且可剝離的kagome材料具有重要的理論和實用價值。

  最近,中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心SF09組馮寶杰特聘研究員、陳嵐研究員、吳克輝研究員與SF10組孟勝研究員、懷柔研究部石友國研究員合作,指導博士生孫振宇、周輝、王翠香等,首次實現了具有半導體特性,并且可剝離到單層的kagome材料Nb3Cl8,并且利用ARPES觀測到了拓撲平帶。

  Nb3Cl8中的Nb原子形成的是呼吸籠目(breathing kagome)晶格,相較于傳統的kagome晶格,這種晶格不具有空間反演對稱性,打開了狄拉克錐的能隙,形成半導體性的基態。另一方面,breathing kagome晶格仍然保留鏡面對稱性,受它的保護拓撲平帶仍然存在(圖1)。通過改變光子能量和偏振依賴的ARPES測量,他們觀測到了一條跨越整個布里淵區的平帶(圖2),與計算結果吻合。進一步的理論計算表明該能帶具有拓撲性。由于Nb3Cl8單晶層間相互作用很弱,很容易地被剝離至少層和單層(圖3)。實驗上通過差分透射譜的測量,他們證實了該材料具有約1.1 eV的光學帶隙,且單層樣品在空氣中非常穩定(圖3)。另外,第一性原理計算表明,單層Nb3Cl8具有鐵磁性和高階拓撲性。這些奇特的物性有待進一步的理論和實驗研究。

  相關成果以“Observation of topological flat bands in the kagome semiconductor Nb3Cl8”為題發表在Nano Letters上(doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c00778)。該工作得到了國家自然科學基金委、科技部、北京市自然科學基金、中科院國際合作項目以及中科院先導B等項目的資助。


圖1 :傳統kagome晶格和breathing kagome晶格的結構模型和電子結構


圖2:Nb3Cl8的ARPES測量結果


圖3:Nb3Cl8的機械剝離及光學吸收