北京大学&中科院物理所Science Bulletin：单层二硫化钼中受拓扑保护的相边界

【前言】

量子自旋霍尔绝缘体具有受拓扑保护的边缘态，这在低功耗新型电子器件中有着广泛和深远的应用前景。传统量子自旋霍尔绝缘体如HgTe和InAs量子阱等，由于其带隙过小和合成复杂限制了其实际应用。具有1T’相的二维过渡金属二硫属化物是一种新的大带隙二维拓扑绝缘体家族，可以促进量子自旋霍尔绝缘体在近室温和实际环境中的应用。但是，对于大多数过渡金属二硫属化物，1T’相相比于拓扑平庸的2Ｈ相并不稳定。另一方面，对于纯1T’相，边缘密度太低大大限制了其未来的高集成度应用，活性边缘暴露于空气也可能会降低其性能。在二维过渡金属二硫属化物内部创建连续的拓扑相边界是一个可能的解决方案。

【成果简介】

最近，在北京大学的江颖和冯济课题组以及中科院物理研究所的张广宇课题组的合作研究中，他们利用氩等离子体处理单层二硫化钼薄膜，得到了高密度的拓扑相边界，并且在边界上观测到了拓扑边缘态。他们发现在氩等离子体处理后，原始的单层2H相二硫化钼薄膜中包含亚稳的1T’相，扫描隧道显微镜证实了1T’相的扭曲的八面体结构特征，扫描隧道谱显示其具有60meV带隙。他们发现1T’相的稳定是拉伸应力和硫空位的协同作用结果。在2H和1T’的相界处，他们进一步通过扫描隧道谱观察到了边缘态的存在，并且通过第一性原理计算对其非平庸的拓扑性质进行了证实。不同于一般二维材料几何终止的边界，这些拓扑非平庸的相边界不会受到杂质分子吸附污染和结构无序的影响，为拓扑边缘态的研究和新型电子器件中的应用提供了理想的平台。

这种简单干净无损的相调控方法可以很容易地推广到其他二维过渡金属二硫属化物。结合掩膜版或聚焦离子束/激光束技术，甚至可以在2H相内绘制出带状的1T’相图案，构建由高密度一维拓扑导电通道组成的低功耗拓扑电路。这种策略与最新的光刻技术兼容，可以促进低耗散高集成度可扩展的电子学和自旋电子学器件的实现。

该项目由国家重点研发计划(2016YFA0300901 和 2017YFA0205003)，国家自然科学基金 (11634001, 11834017 和 61888102)，中国科学院重点研究计划 (XDPB08-2)，国家杰出青年科学基金(21725302)和中国科学院战略重点研究计划(XDB30000000)提供支持。

【图文导读】

图1. 通过不同时长氩等离子处理诱导二硫化钼相变

图2. 在单层二硫化钼2H和1T’ 拓扑相界上的边缘态

文章信息：

Zhichang Wang, Xiaoqiang Liu, Jianqi Zhu, Sifan You, Ke Bian, Guangyu Zhang, Ji Feng, Ying Jiang. Local engineering of topological phase in monolayer MoS₂. Science Bulletin, 2019, 64(23)1750–1756，doi: 10.1016/j.scib.2019.10.004

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927319305869

http://engine.scichina.com/doi/10.1016/j.scib.2019.10.004

本文由作者供稿。

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