南京大学李绍春团队重大发现：单层1T’-WTe2中的库仑能隙

【引言】

二维拓扑绝缘体（2DTIs）具有量子自旋霍尔（QSH）效应，在未来低功耗自旋电子器件及量子计算中具有潜在的应用前景。它的体能带具有带隙，源于自旋轨道耦合（SOC）效应；边界处具有拓扑保护的无带隙金属态，并具有自旋-动量锁定特性。一直以来，研究人员都在着力寻找可以实际应用的2DTI材料。然而，有效地抑制体电导从而实现量子自旋霍尔（QSH）效应却极具挑战。最近，理论和实验都表明单层1T‘-WTe₂可能是一种2DTI材料。

存在的争议：实验结果表明单层1T’-WTe₂在低温下呈现出绝缘行为，这与单电子近似下的DFT计算结果并不一致。为解释这种矛盾现象，学术界已经提出了若干种理论模型。然而，由于缺乏对单层1T’-WTe₂能带结构的充分理解，学术界对此问题仍存在争议。

【成果简介】

近日，南京大学李绍春教授（通讯作者）课题组在二维拓扑绝缘体研究领域取得重大进展，研究人员借助高分辨扫描隧道显微镜和准粒子干涉技术，精确表征了单层1T’-WTe₂的能带结构，确定其为半金属型能带，解决了一直以来存在的争议。同时，研究人员在费米面附近观察到一个独特的能隙。通过STM表征，发现该能隙一直被钉扎在费米面处，并且可以随着费米能级的位置调控而移动。通过分析，研究人员发现该能隙不同于自旋轨道耦合（SOC）带隙，它是由于电子-电子相互作用而打开的库仑能隙。库仑能隙的打开可以有效地抑制WTe₂体电导的干扰，导致低温下的绝缘性行为。 同时，库仑能隙对边缘态并没有影响，从而更容易观察到量子化的拓扑边界态电导。该研究成果以题为“Observation of Coulomb gap in the quantum spin Hall candidate single-layer 1T’-WTe₂”发表在国际著名期刊Nature Communications上。

【图文导读】

图一  单层1T’-WTe₂ 的STM形貌图和STS谱

(a) 生长在双层石墨烯/SiC衬底上的单层1T’-WTe₂原子结构模型；

(b, c) 单层1T’-WTe₂原子分辨STM图像及对应的布里渊区；

(d) STS微分电导谱随空间位置的变化图，其中红色和蓝色箭头分别对应库仑能隙和价/导带的交叠区域；

(e, f) 两个典型能量的dI/dV 图。

图二  准粒子干涉图样与不同偏置能量下的快速傅立叶变换（FFT）图

(a-d) 不同能量下，准粒子干涉图案的快速傅立叶变换结果；

(e) 沿着Y-Γ-Y 方向的能带结构示意图；

(f) 由实验得到的Y-Γ-Y 方向的E-q 能带色散关系。

图三  准粒子干涉（QPI）图样与DFT模拟结果比较

(a, b) +70和-80 mV下， dI / dV图的快速傅里叶变换（FFT）图像；

(c, d) E = + 100 mV和E = -70 mV的恒定能量等值线示意图；

(e, f) 基于图c、d的DFT模拟准粒子干涉图样。

图四 不同钾覆盖度下1T’-WTe₂表面的STS谱图

(a, b)±1V（a）与±200mV（b）的dI/dV微分电导谱，黑色和灰色三角标记的是微分电导谱中的特征点，红色短线标记库仑能隙的位置；

(c) 图b的放大图，其显示费米能级附近的DOS；

(d) 图a、b中标记特征位置与钾覆盖度的依赖关系图。

【小结】

在该文中，研究人员已经对单层1T'-WTe₂进行了高分辨率QPI-STS / STM表征，并验证了其半金属型能带结构，在Γ点附近存在能带反转，但是并没有完整的SOC诱导体带隙。在这个二维局域电子系统中，研究人员还发现了由电子相互作用而引起的库仑能隙。单层QSH系统中库仑能隙的存在，对于抑制体带贡献并且分离拓扑边缘态起到至关重要的作用，能够极大地促进QSH效应的实现。

文献链接：Observation of Coulomb gap in the quantum spin Hall candidate single-layer 1T’-WTe₂（Nature Communications，2018，DOI：10.1038/s41467-018-06635-x）

【通讯作者介绍】：

李绍春，南京大学物理学院教授。主要从事表面物理/化学研究。利用分子束外延技术进行低维薄膜材料生长，并利用高分辨扫描隧道显微镜研究电子/自旋的基态和激发态，寻找和发现新奇的量子特性。研究对象集中于分子功能材料，能源材料，金属/半导体表面，氧化物以及其他新颖的量子体系。多次以主要作者身份在Science, Phys. Rev. Lett.，J. Am. Chem. Soc.，Nature 子刊等学术期刊撰文。

本文由材料人计算材料组 深海万里 供稿，材料牛整理编辑。

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