Science：Bi/SiC—高温量子自旋霍尔材料的有望候选者

【引言】

量子自旋霍尔材料是拓扑绝缘体材料中最具代表的二维材料，其存在边缘电导通道，可防止某些类型的散射，是无损自旋电流革命性器件的希望。但由于其能隙小，所以需要在低温下应用（低于液态氦气）才能避免载流子的热激发。因此，通过增大材料的能隙值，将热操作极限提升到室温以上是器件性能改善的重点之一。

【成果简介】

近日，德国维尔茨堡大学J. Schäfer（通讯作者）在Science上发表了一篇题为“Bismuthene on a SiC substrate: A candidate for a high-temperature quantum spin Hall material”的文章。研究人员通过外延生长技术在SiC(0001)上沉积了单层蜂窝状结构的Bi，制备得到了 Bi/SiC材料。使用扫描隧道光谱，检测到该材料具有约~0.8 eV的间隙和与理论一致的导电边缘态。预期通过优化外延生长，可在室温下应用。

【图文解读】

图一 Bi/SiC(0001)结构模型

(a) Bi/SiC(0001)原子堆放顺序图示；

(b) Bi完全覆盖SiC基片的拓扑STM顶示图；

(c) 基片台面高度轮廓，沿(B)红色线，台面高度对应SiC台面；

(d) Bi的蜂窝结构；

(e) Bi的蜂窝结构形成阶段STM图像: 左边: 占据态; 右边: 空态。

图二 理论能带结构与ARPES测量

(a) 利用HSE交换泛函进行自旋 - 轨道耦合密度泛函理论能带结构计算，虚线为价带；

(b) ARPES布里渊区能带分布，K点为价带最大值和价带分裂与理论预测相吻合点，分光计费米能级设为0；

(c) 闭合ARPES，在宽动量范围内，具有大诱导自旋-轨道耦合分裂的K点为价带最大值；

(d) 不同结合能的ARPES恒定能量表面，低结合能切面密度最高，对应价带最大值，图谱与六方晶格K与K’点六重简并结构一致。

图三 Bi σ能带低能有效模型电子结构计算

(a) s、p轨道对Bi电子结构的作用(无自旋-轨道耦合)；在各图中，图示大小正比于轨道的相对重量；以E_F为准，Bi/SiC P_X-和P_Y-轨道表明轨道分解；

(b) 低能有效模型的电子结构(无自旋-轨道耦合)；

(c) K点处，强原子自旋-轨道耦合夹杂产生巨大能隙；

(d) Rashba效应增大价带极值，诱导反向自旋特性分裂。

图四 基片台面边缘态隧道谱

(a) 距边缘不同距离处的微分电导dI/dV；插图：基片上坡台面产生边界处为STM测量位置；颜色编码点与光谱颜色相关；

(b) 通过相同台面的空间分解 dI/dV数据，间隙态dI/dV数据在膜边缘处达到峰值，灰色虚线为dI/dV最大值；

(c) 台面z(x)线剖面图与Bi dI/dV数据。

【小结】

本文研究表明了基片对于控制2D量子自旋霍尔绝缘体相关轨道具有决定性作用。在Bi/SiC材料体系中，Bi单层轨道与基片共价键合产生了较大的拓扑能隙，使复合体系稳定化，可在常温下应用。该项研究成果开创了增大量子自旋霍尔材料能隙的新方法，即通过使用V族元素作为基片，形成单层-基片复合材料，大幅度提高了量子自旋霍尔材料的拓扑能隙。

文献链接：Bismuthene on a SiC substrate: A candidate for a high-temperature quantum spin Hall material(Science, 29 June, 2017, DOI: 10.1126/science.aai8142 )

本文由材料人编辑部陈炳旭编译，赵飞龙审核，点我加入材料人编辑部。

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