Nature Communications. :WTe2台阶处拓扑边界态观测

【引言】

按照导电性质的不同材料可分为“金属”和“绝缘体”两大类；根据电子态的拓扑性质的不同，绝缘体又分为拓扑绝缘体和其他普通绝缘体。拓扑绝缘体的体电子态具有能隙，而其边界或表面存在由对称性保护的无能隙的金属态，这是它有别于普通绝缘体的独特之处。这种拓扑边缘态受体内部拓扑特性的保护而稳定存在。拓扑绝缘体的表面电子可以不受杂质散射，使其表面态和边缘态具有很低的电阻，且内部绝缘体又防止漏电，因而拓扑绝缘体在低功耗器件以及新型电子器件中具有潜在应用价值。

【成果简介】

近日，华中滚球体育 大学付英双教授和上海滚球体育 大学李刚教授（共同通讯作者）报道了利用低温扫描隧道显微镜在过渡金属硫族化合物WTe₂的台阶处直接观测到一维导电边界态的研究工作。所观测的一维导电边界态在材料边缘处稳定存在，且不受边缘具体结构的影响。另外，通过第一性原理计算，也证实了WTe₂台阶处一维边界态的拓扑性，且该拓扑性不受材料所在衬底影响。相关成果以题为“Observation of topological states residing at step edges of WTe₂”发表在了Nature Communication上。

【图文导读】

图1. WTe₂及其台阶处形貌结构

(a).WTe₂台阶的晶体结构示意图。

(b). WTe₂的STM图分辨出其表面原子。

(c).WTe₂台阶的3D像。

(d, e).对应于(c)中红色和绿色箭头处的原子缺陷，两个表面的缺陷呈现镜面对称特征。

图2. WTe₂边缘态观测

(a).沿图1(c)中黑色线测量得到的二维微分电导图。

(b).对应于(a)中测量位置的台阶高度轮廓图。

(c).台阶边缘处隧道谱(红线)，台阶内部位置隧道谱(黑线)，谱线由(a)中红色和黑色三角形标志处提取。

(d).DFT计算WTe₂体材料的态密度。

(e).沿a-方向单层台阶高度处STM图。

(f).对应于(e)中区域不同电压下的微分电导像。

(g).对应于(f)中绿色箭头所示截线处轮廓。

图3. WTe₂中非整齐边界处的边缘态

(a).具有不规整边缘结构的单层台阶处STM图。

(b).不同电压下(a)中区域的微分电导像。

(c).对应(b)中绿色箭头所示截线处轮廓。

(d).对应(b)中红色点位置的隧道谱。

图4. WTe₂中一维拓扑边缘态的理论计算

(a).利用紧束缚模型计算得到的单层1T’型WTe2电子结构的拓扑边缘态。

(b).边缘态处的自旋极化。

(c).第一性原理计算具有完全无束缚边缘的单层1T’ WTe₂的电子结构。

(d).第一性原理计算双层1T’ WTe₂台阶处的电子结构。

(e, f).实空间中边缘态电荷分布。

【小结】

该工作利用扫描隧道显微镜直接观测到了1T’型WTe₂台阶处的一维导电边界态，首次从实验上验证了1T’相过渡硫族化合物的拓扑特性。为利用构建台阶阵列实现多导电通道器件提供了思路。此外，该工作从理论上证实了压力下WTe₂中超导性与拓扑性可共存，使WTe₂边缘成为构建拓扑超导体的新平台。

文献链接：Observation of topological states residing at step edges of WTe2(Nat. Commun.，2017，DOI: 10.1038/s41467-017-00745-8)

本文由材料人电子电工学术组任丹丹供稿，欧洲足球赛事 整理编辑。

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