單層二維量子自旋霍爾絕緣體1T′-WTe2 研究進(jìn)展*

賈亮廣 劉猛 陳瑤瑤 張鈺 王業(yè)亮

(北京理工大學(xué)集成電路與電子學(xué)院,低維量子結(jié)構(gòu)與器件工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)

量子自旋霍爾效應(yīng)通常存在于二維拓?fù)浣^緣體中,其具有受拓?fù)浔Ｗo(hù)的無耗散螺旋邊界態(tài).2014 年,理論預(yù)言單層1T' 相過渡金屬硫族化合物是一類新型的二維量子自旋霍爾絕緣體.其中,以單層1T'-WTe2 為代表的材料體系具有原子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、體帶隙顯著、拓?fù)湫再|(zhì)易于調(diào)控等許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),對(duì)低功耗自旋電子器件的發(fā)展具有重要的意義.本文總結(jié)了單層1T'-WTe2 在實(shí)驗(yàn)上的最新進(jìn)展,包括基于分子束外延生長(zhǎng)的材料制備,螺旋邊界態(tài)的探測(cè)及其對(duì)磁場(chǎng)的響應(yīng),摻雜、應(yīng)力等手段在單層1T'-WTe2 中誘導(dǎo)出的新奇量子物態(tài)等.也對(duì)單層1T'-WTe2 未來可能的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望.

1 引言

量子自旋霍爾效應(yīng)是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中最基本的量子效應(yīng)之一,對(duì)低功耗自旋電子器件的發(fā)展具有重要的意義.量子自旋霍爾效應(yīng)通常存在于二維拓?fù)浣^緣體中,表現(xiàn)為絕緣的二維體態(tài)和導(dǎo)電的一維螺旋邊界態(tài)[1?6].在無外加磁場(chǎng)的情況下,量子自旋霍爾效應(yīng)中受拓?fù)浔Ｗo(hù)的電子可以沿著二維材料的邊緣做無耗散運(yùn)動(dòng),且自旋-軌道耦合效應(yīng)導(dǎo)致不同自旋電子的運(yùn)動(dòng)方向相反(圖1).

圖1 量子霍爾效應(yīng)和量子自旋霍爾效應(yīng)的邊界態(tài)和能帶結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.Schematic of edge states and band structures in quantum Hall effect and quantum spin Hall effect.

2006 年,美國(guó)斯坦福大學(xué)Zhang 研究組[7]預(yù)言在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)HgTe/CdTe 量子阱體系中存在量子自旋霍爾效應(yīng),并于2007 年被德國(guó)維爾茨堡大學(xué)物理研究所 Molenkamp 研究組[8]的實(shí)驗(yàn)證實(shí),這也是實(shí)驗(yàn)上第一個(gè)真正實(shí)現(xiàn)量子自旋霍爾效應(yīng)的體系.隨后,科學(xué)家們?cè)贗nAs/GaSb[9?12]和InAs/GaInSb[13,14]等量子阱體系中也觀測(cè)到了量子自旋霍爾效應(yīng),但是所需的環(huán)境溫度通常要遠(yuǎn)低于液氦溫度,這極大地限制了其在自旋電子器件中的應(yīng)用.基于此,科學(xué)家們致力于尋找能夠面向未來應(yīng)用的高溫二維量子自旋霍爾絕緣體材料.2014 年,美國(guó)麻省理工學(xué)院Qian 等[15]預(yù)言,以單層1T'-WTe2為代表的單層1T'相過渡金屬硫族化合物(transition metal dichalcogenides;TMD)有望成為一類新型的二維量子自旋霍爾絕緣體.其中,單層1T'-WTe2由于具有易于制備、原子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、體帶隙顯著、拓?fù)湫再|(zhì)易于調(diào)控等許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[16?26],引起了實(shí)驗(yàn)科學(xué)家們的廣泛關(guān)注.

目前,單層1T'-WTe2已經(jīng)成為實(shí)驗(yàn)性能最好的二維量子自旋霍爾絕緣體之一,其螺旋邊界態(tài)和量子化的邊界電導(dǎo)已被角分辨光電子能譜(angleresolved photoemission spectroscopy,ARPES)、掃描隧道顯微鏡/掃描隧道譜(scanning tunneling microscopy/spectroscopy,STM/STS)、微波阻抗顯微鏡(microwave impedance microscopy,MIM)、電荷輸運(yùn)等實(shí)驗(yàn)手段相繼證實(shí),且其量子自旋霍爾效應(yīng)在100 K 的溫度下仍可穩(wěn)定存在[17,27?35].此外,利用摻雜、應(yīng)力等手段可以在單層1T'-WTe2中誘導(dǎo)出包括超導(dǎo)在內(nèi)的更多新奇量子物態(tài)[36?38].因此,對(duì)單層1T'-WTe2的可控制備和物性研究不僅能夠加深我們對(duì)二維量子自旋霍爾絕緣體中新奇量子物態(tài)的認(rèn)識(shí)與理解,而且對(duì)未來新型自旋電子器件的發(fā)展具有重要的推動(dòng)作用.

本文主要綜述了單層1T'-WTe2這一新型二維量子自旋霍爾絕緣體在實(shí)驗(yàn)上的最新進(jìn)展,包括基于分子束外延技術(shù)(molecular beam epitaxy;MBE)生長(zhǎng)的單層1T'-WTe2制備方法,單層1T'-WTe2中二維量子自旋霍爾絕緣體的探測(cè)及調(diào)控(圖2),并對(duì)單層1T'-WTe2未來可能的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望.

圖2 單層1T'-WTe2 中量子自旋霍爾絕緣體的探測(cè)及調(diào)控Fig.2.Detection and modulation of quantum spin Hall effect in monolayer 1T'-WTe2.

2 單層1T'-WTe2 的晶格和能帶結(jié)構(gòu)

TMD 的分子式為MX2,其中M=(Mo,W 等)代表過渡金屬原子,X=(S,Se,Te)代表硫族原子.單層TMD 是由X-M-X三個(gè)原子層堆垛形成的三明治結(jié)構(gòu),具有三種典型的結(jié)構(gòu)形態(tài),分別為1H相(空間群P63/mmc)、1T相(空間群P-3m1)、1T'相(空間群P21/m),如圖3 所示[15,39].通常來說,單層TMD 的1H相和1T相是熱力學(xué)穩(wěn)定的相[40,41].然而,單層MoTe2,WTe2,TaTe2是例外.在這些體系中,單層的1T相是不穩(wěn)定的,其會(huì)自發(fā)地存在Peierls 畸變,使中間層的M原子在x方向上會(huì)發(fā)生位移,形成2×1 超晶格結(jié)構(gòu),即圖3(c)所示的1T'相[40].

圖3 單層過渡金屬硫族化合物MX2 的結(jié)構(gòu)示意圖[15] (a) 1H-MX2[15];(b) 1T-MX2[15];(c) 1T'-MX2[15]Fig.3.Atomic structures of monolayer TMD MX2[15]:(a) 1H-MX2[15];(b) 1T-MX2[15];(c) 1T'-MX2[15].

單層TMD 由于Peierls 畸變從1T相轉(zhuǎn)變?yōu)?T'相的過程中,在二維布里淵區(qū)的Γ點(diǎn)處能帶會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn),如圖4 所示[35].當(dāng)不考慮自旋-軌道耦合時(shí),價(jià)帶和導(dǎo)帶在動(dòng)量方向Y-Γ-Y出現(xiàn)交疊,形成兩個(gè)狄拉克點(diǎn),自旋-軌道耦合進(jìn)一步將狄拉克點(diǎn)處的簡(jiǎn)并度解除,形成體能隙.由體邊對(duì)應(yīng)關(guān)系可知,單層1T'-TMD 的邊緣處一定存在非平庸的拓?fù)溥吔鐟B(tài)[4,42],這意味著單層1T'-TMD 是量子自旋霍爾絕緣體.

圖4 單層1T'-TMD 的能帶結(jié)構(gòu) (a) 能帶從拓?fù)淦接瓜噢D(zhuǎn)變?yōu)橥負(fù)浞瞧接瓜嗟氖疽鈭D.能帶的反轉(zhuǎn)導(dǎo)致其從拓?fù)淦接瓜噢D(zhuǎn)變?yōu)橥負(fù)浞瞧接瓜?自旋-軌道耦合效應(yīng)可以進(jìn)一步使軌道交疊處的簡(jiǎn)并度解除[35].(b)單層1T'-TMD 的能帶結(jié)構(gòu)[15]Fig.4.Band structures of monolayer 1T'-TMD:(a) Schematic of band evolution from a topologically trivial phase to a nontrivial phase.Band inversion causes the band changing from topologically trivial to topologically nontrivial[35];(b) band structure of monolayer 1T'-TMD[15].

下面的介紹將聚焦于具體的材料體系中,即單層WTe2體系.通過第一性原理計(jì)算可知,在單層1T-WTe2中,W 原子的 5dxz和 5dz2軌道位于費(fèi)米面的兩側(cè)[27].由于1T'相是1T相發(fā)生Peierls 畸變的結(jié)果,1T'-WTe2中存在明顯的晶格對(duì)稱性破缺,致使 5dxz和 5dz2軌道向能量相反的方向移動(dòng)并出現(xiàn)交疊,即發(fā)生能帶的反轉(zhuǎn).當(dāng)引入自旋-軌道耦合時(shí),能帶的雜化使 5dxz和 5dz2軌道交疊處狄拉克點(diǎn)的簡(jiǎn)并度解除,并進(jìn)一步在其邊緣處形成受時(shí)間反演對(duì)稱性保護(hù)的螺旋邊界態(tài)[27,43].此時(shí),體系的Z2拓?fù)洳蛔兞繌? 變?yōu)?,即能帶從拓?fù)淦接瓜噢D(zhuǎn)變?yōu)橥負(fù)浞瞧接瓜?因此,單層1T'-WTe2有望成為面向未來應(yīng)用的一類新型的二維量子自旋霍爾絕緣體.

3 單層1T'-WTe2 的制備與表征

3.1 利用MBE 技術(shù)生長(zhǎng)單層1T′-WTe2

獲得大面積高質(zhì)量且處于懸浮狀態(tài)的單層1T'-WTe2是研究其量子自旋霍爾效應(yīng)的關(guān)鍵.目前,一種比較成熟的方法是利用MBE 技術(shù)生長(zhǎng)單層1T'-WTe2材料[27,30,38],如圖5(a)所示.實(shí)驗(yàn)上,通常選擇石墨烯作為襯底,一是因?yàn)槭┚哂性蛹?jí)平整的晶格結(jié)構(gòu),且性質(zhì)較為穩(wěn)定,有助于1T'-WTe2的外延生長(zhǎng);二是因?yàn)槭┡c1T'-WTe2之間是范德瓦耳斯相互作用[30],且石墨烯表面不存在懸掛鍵,可以有效地避免襯底對(duì)邊界態(tài)的干擾.由于W 原子和Te 原子在相同溫度下的蒸氣壓存在顯著的差異,實(shí)驗(yàn)上一般控制W 原子和Te原子的束流比約為1∶20,襯底溫度控制在200—250 ℃范圍內(nèi),確保得到高質(zhì)量的單層1T'-WTe2樣品.

圖5 單層1T'-WTe2 的制備與表征 (a)利用MBE 技術(shù)生長(zhǎng)單層1T'-WTe2 的示意圖[30];(b)在石墨烯表面生長(zhǎng)單層1T'-WTe2 后的RHEED 圖[30],其中藍(lán)色箭頭表示來自BLG/SiC(0001)基底的條紋,而紅色箭頭表示來自單層1T'-WTe2 的3 個(gè)等能疇 方向 的條 紋[30];(c) 單 層1T'-WTe2的原子分辨STM 圖[54];(d) 單層1T'-WTe2 的布里淵區(qū)圖[54]Fig.5.Preparation and characterization of the monolayer 1T'-WTe2:(a) Schematic of sample preparation of monolayer 1T'-WTe2 via an MBE method[30].(b) RHEED pattern of monolayer 1T'-WTe2[30].The blue arrow marks the streaks from the BLG/SiC(0001) substrate,while the red arrows represent the ones from WTe2 domains of three equivalent orientations[30].(c) Atomic-resolution STM image of monolayer 1T'-WTe2[54]. (d) Brillouin zone of monolayer 1T'-WTe2[54].

3.2 利用機(jī)械剝離技術(shù)獲得單層1T′-WTe2

機(jī)械剝離技術(shù)是獲得單層1T'-WTe2的重要方法.實(shí)驗(yàn)上,首先利用化學(xué)氣相傳輸(chemical vapor transport,CVT)等方法實(shí)現(xiàn)對(duì)高質(zhì)量單晶1T'-WTe2的制備[44?46];然后在充滿氮?dú)獾氖痔紫渲?利用膠帶從單晶1T'-WTe2中剝離出少層1T'-WTe2樣品并轉(zhuǎn)移至285 nm 厚的SiO2襯底上;通過光學(xué)顯微鏡成像,實(shí)現(xiàn)對(duì)單層1T'-WTe2的辨認(rèn);基于干法轉(zhuǎn)移技術(shù),利用熱釋放膠帶將單層1T'-WTe2轉(zhuǎn)移至目標(biāo)襯底上,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)其晶格結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)的表征[47?50].此外,脈沖激光沉積技術(shù)(pulsed laser deposition,PLD)也是生長(zhǎng)高質(zhì)量拓?fù)淞孔颖∧さ闹匾侄?有望實(shí)現(xiàn)對(duì)高質(zhì)量單晶1T'-WTe2的可控制備[51?53]

3.3 對(duì)單層1T′-WTe2 的結(jié)構(gòu)表征

利用反射式高能電子衍射(reflection highenergy electron diffraction,RHEED)可以對(duì)單層1T'-WTe2樣品的生長(zhǎng)過程進(jìn)行原位表征.圖5(b)為在石墨烯表面生長(zhǎng)單層1T'-WTe2后的RHEED圖[30].通過石墨烯的晶格常數(shù)2.47 ?校準(zhǔn),可得單層1T'-WTe2長(zhǎng)軸(a軸)的晶格常數(shù)為6.3 ? ±0.2 ?[27].圖5(c)給出了單層1T'-WTe2的原子分辨STM 圖,圖中的亮點(diǎn)由最上層的Te 原子貢獻(xiàn).由于單層1T'-WTe2相對(duì)于1T-WTe2存在自發(fā)的晶格畸變,中間層W 原子在長(zhǎng)軸方向上表現(xiàn)出兩倍的周期結(jié)構(gòu),并在短軸方向上形成一維的鋸齒型原子鏈.W 原子的晶格畸變進(jìn)一步導(dǎo)致最上層Te原子不再處于同一平面內(nèi),因此會(huì)在STM 圖中表現(xiàn)出明顯的高度差,如圖5(c)所示[54].圖5(d)為單層1T'-WTe2的第一布里淵區(qū).

4 單層1T'-WTe2 的量子自旋霍爾效應(yīng)

4.1 利用ARPES 探測(cè)單層1T′-WTe2 的體能帶結(jié)構(gòu)

ARPES 是測(cè)量材料體系能帶結(jié)構(gòu)的重要手段.圖6 是利用ARPES 探測(cè)單層1T'-WTe2沿著布里淵區(qū)Γ-X方向上的體能帶結(jié)構(gòu).可以看出,由于自旋-軌道耦合,在能帶交疊處會(huì)打開正能隙,且該能隙在動(dòng)量方向上不會(huì)關(guān)閉[55].為了讓ARPES中的導(dǎo)帶信息更為明顯,實(shí)驗(yàn)上,通常向體系中引入K 原子實(shí)現(xiàn)電子摻雜[27,38].可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)改變電子填充時(shí),由于自旋-軌道耦合打開的正能隙并沒有發(fā)生顯著變化.該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,單層1T'-WTe2中的自旋-軌道耦合會(huì)導(dǎo)致體能隙的打開.

圖6 單層1T'-WTe2 的體能帶結(jié)構(gòu) (a) 利用ARPES 探測(cè)單層1T'-WTe2 沿著Γ-X 方向的體能帶結(jié)構(gòu)[55];(b) 利用第一性原理計(jì)算單層1T'-WTe2 的能帶結(jié)構(gòu)[55]Fig.6.Band structure of monolayer 1T'-WTe2:(a) Band structure of monolayer 1T'-WTe2 acquired by ARPES along the Γ-X direction[55];(b) calculated band structure of monolayer 1T'-WTe2 along the Γ-X direction by first-principles[55].

4.2 利用STM 探測(cè)單層1T′-WTe2 的邊界態(tài)

量子自旋霍爾絕緣體要求體系具有絕緣的體能隙和導(dǎo)電的一維螺旋邊界態(tài).STM 和STS 具有高空間分辨率和能量分辨率,可為一維邊界態(tài)的存在提供重要的實(shí)驗(yàn)證據(jù)[22,27,30,38].STM 實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果表明,無論是在絕對(duì)單層的1T'-WTe2體系中[27],還是在1T'-WTe2的單層臺(tái)階處[29],都存在著一維邊界態(tài).這里將以1T'-WTe2的單層臺(tái)階為例,具體介紹利用STM 探測(cè)一維邊界態(tài)的方法.

圖7(a)為1T'-WTe2單層臺(tái)階處的STM 圖,圖7(b)為其典型的STS 譜,它可以直接反映不同探測(cè)位置的局域態(tài)密度.在圖7(b)中,黑線為單層1T'-WTe2島內(nèi)部的STS 譜,它在費(fèi)米面附近存在能隙.而在邊界處,費(fèi)米面附近的STS 譜出現(xiàn)態(tài)密度峰,這意味著單層1T'-WTe2存在一維的導(dǎo)電邊界態(tài)[27].圖7(c)為STS 譜在跨過1T'-WTe2單層臺(tái)階過程中的演化情況.可以發(fā)現(xiàn),費(fèi)米面附近態(tài)密度峰所代表的邊界態(tài)只存在于1T'-WTe2的單層臺(tái)階處,且和樣品的尺寸、形狀、臺(tái)階的整齊程度無關(guān).這些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明,1T'-WTe2的單層臺(tái)階具有拓?fù)浞瞧接沟倪吔鐟B(tài).

圖7 利用STM 探測(cè)1T'-WTe2 單層臺(tái)階處的一維邊界態(tài)[29] (a) 1T'-WTe2 單層臺(tái)階的STM 圖;(b) 1T'-WTe2 內(nèi)部(黑線)和單層臺(tái)階邊緣處(紅線)的STS 譜;(c)空間分辨的STS 譜,橫坐標(biāo)表示探測(cè)點(diǎn)到1T'-WTe2 單層臺(tái)階的距離,x=0 nm 為1T'-WTe2 的單層臺(tái)階Fig.7.STM detection of edge states in 1T'-WTe2 monolayer step:(a) STM image of 1T'-WTe2 monolayer step[29];(b) typical STS spectra recorded at the step edge (red curve) and at a location at the inner terrace (black curve) of 1T'-WTe2[29];(c) spatial-resolved STS spectra recorded perpendicular to the 1T'-WTe2 monolayer step.The position x=0 nm is at the monolayer step[29].

4.3 利用MIM 探測(cè)單層1T′-WTe2 的拓?fù)溥吔鐟B(tài)

MIM 技術(shù)通過測(cè)量分析導(dǎo)電針尖與樣品之間的復(fù)數(shù)導(dǎo)納,可以得到樣品的局域電導(dǎo)信號(hào),而電導(dǎo)的空間分布情況正是邊界態(tài)是否存在的直觀體現(xiàn)[32,56?59].其中,MIM 信號(hào)的虛部(MIM-Im)反映樣品對(duì)針尖上微波電場(chǎng)的屏蔽情況,當(dāng)樣品的電阻率降低時(shí),MIM-Im 的信號(hào)強(qiáng)度單調(diào)增加.因此,利用MIM-Im 可以直觀地測(cè)量樣品的局域電導(dǎo)強(qiáng)度.

2019 年,Shi 等[32]利用電場(chǎng)調(diào)控的MIM 實(shí)現(xiàn)了對(duì)單層1T'-WTe2中拓?fù)溥吔鐟B(tài)的測(cè)量.圖8(a)給出了樣品的光學(xué)顯微鏡圖,單層1T'-WTe2通過機(jī)械剝離法轉(zhuǎn)移到SiO2/Si 襯底上,并在上表面覆蓋了10 nm 厚的hBN,防止樣品被污染或變質(zhì).圖8(b)—(d)為零磁場(chǎng)下的MIM-Im 圖,分別對(duì)應(yīng)圖8(a)中3 個(gè)標(biāo)注的區(qū)域.可以發(fā)現(xiàn),單層1T'-WTe2內(nèi)部的MIM-Im 信號(hào)強(qiáng)度與SiO2/Si 襯底相差不大,說明其體內(nèi)是絕緣的.然而,在單層1T'-WTe2的邊界處存在明顯的亮線,且亮線嚴(yán)格地沿著樣品的邊緣,強(qiáng)度與邊緣的形狀無關(guān),說明單層1T'-WTe2的邊緣存在一維的導(dǎo)電通道.

利用電場(chǎng)調(diào)控的MIM 可以進(jìn)一步證實(shí)該一維導(dǎo)電通道的拓?fù)湫袨?理論上,一維拓?fù)鋵?dǎo)電通道連接了體能帶的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂,因此邊界態(tài)幾乎不受費(fèi)米面的影響;相反,由于能帶彎曲等因素誘導(dǎo)的平庸邊界態(tài)會(huì)格外依賴于費(fèi)米面的能量.因此,通過測(cè)量一維邊界態(tài)隨費(fèi)米能的變化,可以有效地判斷其拓?fù)湫再|(zhì).圖8(e)為零磁場(chǎng)下穿過單層1T'-WTe2邊界的MIM-Im 信號(hào)隨柵極電壓的變化情況.可以發(fā)現(xiàn),在費(fèi)米面從單層1T'-WTe2的導(dǎo)帶到體能隙再到價(jià)帶變化的過程中,當(dāng)費(fèi)米面處于體能隙時(shí),邊緣處的一維導(dǎo)電通道一直存在.這個(gè)現(xiàn)象證實(shí)了單層1T'-WTe2具有受拓?fù)浔Ｗo(hù)的一維導(dǎo)電通道.

圖8 利用MIM 探測(cè)單層1T'-WTe2 的邊界態(tài)[32] (a)樣品的光學(xué)顯微鏡圖,單層1T'-WTe2 被轉(zhuǎn) 移到SiO2/Si 襯底 上,并覆蓋10 nm 厚的hBN;(b)—(d) 圖(a)中不同區(qū)域?qū)?yīng)的零磁場(chǎng)下MIM-Im 圖;(e)穿過單層1T'-WTe2 邊界的零磁場(chǎng)下MIM-Im 信號(hào)隨柵極電壓的變化情況,其中EGate=–15 V 為電中性點(diǎn)的位置;(f)穿過單層1T'-WTe2 邊界的B=9 T 下MIM-Im 信號(hào)隨柵極電壓的變化情況Fig.8.Detection of edge states in monolayer 1T'-WTe2 via an MIM technique:(a) Optical image of monolayer 1T'-WTe2 exfoliated onto SiO2/Si substrate and covered with a 10-nm-thick hBN[32].(b)–(d) MIM-Im images of the regions marked in panel (a) [32].(e) MIM-Im images obtained across the edge of monolayer 1T'-WTe2 as a function of gate voltage EGate under B=0 T[32].The charge neutral point is located at EGate=–15 V[32].(f) MIM-Im images obtained across the edge of monolayer 1T'-WTe2 as a function of gate voltage EGate under B=9 T[32].

利用磁場(chǎng)調(diào)控的MIM 可以進(jìn)一步證實(shí)單層1T'-WTe2具有螺旋邊界態(tài).在垂直磁場(chǎng)的作用下,螺旋邊界態(tài)會(huì)發(fā)生雜化,在靠近體帶邊時(shí)會(huì)打開塞曼能隙,同時(shí)伴隨著電阻率的升高[32].圖8(f)為在B=9 T 的垂直磁場(chǎng)下,穿過單層1T'-WTe2邊界的MIM-Im 信號(hào)隨柵極電壓的變化情況.可以看到,單層1T'-WTe2體內(nèi)的MIM 信號(hào)幾乎不隨磁場(chǎng)發(fā)生變化,而邊緣處的MIM-Im 信號(hào)有微弱的衰減,這正是螺旋邊界態(tài)的典型特征.

4.4 利用電荷輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)探測(cè)單層1T′-WTe2的量子自旋霍爾效應(yīng)

利用電荷輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)測(cè)量單層1T'-WTe2的邊界電導(dǎo)可以為證實(shí)體系中存在量子自旋霍爾效應(yīng)提供最直接和重要的證據(jù)[15,28?31].通常來說,量子自旋霍爾效應(yīng)的電荷輸運(yùn)測(cè)量結(jié)果需要同時(shí)滿足以下兩點(diǎn)[1,7,8,10,12]:1) 每個(gè)邊界都具有量子電導(dǎo)平臺(tái)e2/h(e為電子電荷,h為普朗克常數(shù));2) 外加磁場(chǎng)通過破壞體系的時(shí)間反演對(duì)稱性使其螺旋邊界態(tài)消失,進(jìn)而有效地抑制電導(dǎo).

2018 年,美國(guó)麻省理工學(xué)院的Jarillo-Herrero團(tuán)隊(duì)[31]成功地在單層1T'-WTe2體系中探測(cè)到了量子自旋霍爾效應(yīng).他們利用背柵電壓Vc調(diào)控長(zhǎng)度為L(zhǎng)c的待測(cè)單層條狀1T'-WTe2樣品,樣品的其他部分通過頂柵電壓Vtg實(shí)現(xiàn)重?fù)诫s,以便有效地避免接觸電阻的影響(圖9(a)).圖9(b)為在不同長(zhǎng)度的單層1T'-WTe2中,電阻差值ΔR隨局域背柵電壓Vc的變化曲線,其中ΔR=R(Vc)–R(Vc=–1 V),R(Vc=–1 V)為重?fù)诫s時(shí)的電阻.由圖9(b)可知,隨著Vc的降低,即單層1T'-WTe2從體金屬態(tài)(摻雜)到體絕緣態(tài)(未摻雜)的轉(zhuǎn)變過程中,ΔR逐漸趨于飽和,阻值接近h/(2e2),且在Lc<100 nm 的短通道器件中都存在,如圖9(b)和圖9(c)所示,說明其為單層1T'-WTe2本征的屬性.考慮到Vc較小時(shí)為體絕緣態(tài),則飽和電阻完全由單層1T'-WTe2的邊界貢獻(xiàn),而樣品存在兩個(gè)邊界,則每個(gè)邊界的電導(dǎo)約為e2/h,這與量子自旋霍爾效應(yīng)的螺旋邊界態(tài)一致.

圖9 利用電荷輸運(yùn)測(cè)量單層1T'-WTe2 的量子自旋霍爾效應(yīng)[31] (a)基于單層1T'-WTe2 器件的示意圖.器件由單層1T'-WTe2、用于封裝的hBN、石墨頂柵、8 個(gè)接觸電極,以及長(zhǎng)度不一的一系列局域背柵組成.(b)電阻差值ΔR 隨局域柵極電壓Vc 的變化曲線,其中局域背柵的寬度分別為100,70 和60 nm.(c)長(zhǎng)度依賴的電阻.在短通道極限下,ΔRs 接近于電阻最小值h/(2e2),這意味著每個(gè)邊界的電導(dǎo)為e2/h,滿足量子自旋霍爾效應(yīng).(d)在垂直磁場(chǎng)下,邊界電導(dǎo)GS 隨Vc 的變化曲線,背柵寬度為100 nm.(e)在特定的Vc 下,GS 隨磁場(chǎng)的變化曲線.電導(dǎo)是否出現(xiàn)飽和取決于費(fèi)米面的位置.(f)–ln(GS/G0)隨μBB/(kBT)的變化.黑線為線性擬合的結(jié)果.插圖:對(duì)于電導(dǎo)不飽和的情況,在不同溫度下測(cè)量GS 隨磁場(chǎng)的變化;(g)邊界電導(dǎo)隨溫度的變化情況.插圖:不同溫度下ΔR 隨Vc 的變化曲線[31]Fig.9.Observation of quantum spin Hall effect up to 100 K in monolayer 1T'-WTe2 via transport measurements[31]:(a) Schematic of monolayer 1T'-WTe2 encapsulated with hBN.Graphite is applied for the top gate,eight contact electrodes are applied to minimize the effect of contact resistance,and a series of in-channel local bottom gates are applied to study the length-dependent feature.(b) ΔR versus Vc for the gate with the width of 60,70,and 100 nm.(c) Length dependence of ΔRs.In the short-channel limit,the ΔRs values approach a minimum of h/(2e2),in agreement with quantum spin Hall effect.(d) GS versus Vc under perpendicular magnetic fields for a 100-nm-width gate.(e) GS versus B at specific Vc.The saturation or not of GS depends on the Fermi energy.(f)–ln(GS/G0) versus μBB/(kBT).The black line is a linear fit.Inset:Temperature dependence of GS versus B for the non-saturating curves.(g) Temperature dependence of the edge conductance.Inset:gate dependence of ΔR at various temperatures.

電阻/電導(dǎo)對(duì)外加磁場(chǎng)的響應(yīng)是證明單層1T'-WTe2具有量子自旋霍爾效應(yīng)的另一重要手段[31].圖9(d)為磁場(chǎng)下電導(dǎo)GS=1/ΔRs(ΔRs為L(zhǎng)c<100 nm 的短通道電阻差值)隨局域背柵電壓Vc的變化曲線.從圖9(d)可以看出,隨著磁場(chǎng)的增加,單層1T'-WTe2的GS發(fā)生明顯的衰減.GS隨磁場(chǎng)的變化規(guī)律可以分為以下兩種情況:當(dāng)Vc接近–6.44 V時(shí),GS隨著磁場(chǎng)的增加呈指數(shù)下降,且即使磁場(chǎng)高達(dá)8 T 也沒有出現(xiàn)飽和的跡象;而對(duì)于其他的Vc值,GS在高磁場(chǎng)下達(dá)到飽和,如圖9(e)所示.

這個(gè)現(xiàn)象與量子自旋霍爾效應(yīng)具有顯著的關(guān)聯(lián).量子自旋霍爾絕緣效應(yīng)存在一維螺旋邊界態(tài),其中自旋向上和自旋向下電子對(duì)應(yīng)的能帶在Kramers簡(jiǎn)并點(diǎn)相交,如圖9(e)中插圖I 所示.當(dāng)費(fèi)米面位于體帶隙時(shí),外加磁場(chǎng)通過塞曼效應(yīng)有效地破壞了Kramers 點(diǎn)的簡(jiǎn)并度,使其打開能隙,如圖9(e)中插圖Ⅱ所示,此時(shí)的電導(dǎo)不存在飽和值.進(jìn)一步測(cè)量GS隨溫度的變化,可以發(fā)現(xiàn)–ln(GS/G0)與μBB/(kBT)存在線性關(guān)系(G0為零場(chǎng)下的電導(dǎo),μB為玻爾磁子,kB為玻爾茲曼常數(shù),T為溫度),通過擬合斜率可得體系的有效g因子為4.8,滿足塞曼效應(yīng)的規(guī)律,如圖9(f)所示.該結(jié)果說明磁場(chǎng)可以通過塞曼效應(yīng)打開單層1T'-WTe2邊界處的能隙,這是螺旋邊界態(tài)的直觀體現(xiàn).此外,從圖9(g)可以看出,在零磁場(chǎng)條件下當(dāng)溫度升至100 K 時(shí),該量子化的電導(dǎo)仍然存在[31].因此,該實(shí)驗(yàn)證實(shí)了單層1T'-WTe2表現(xiàn)為高溫量子自旋霍爾效應(yīng).

5 單層1T'-WTe2 中體絕緣態(tài)的物理起源

第一性原理計(jì)算結(jié)果表明,本征單層1T'-WTe2的體能帶為半金屬[15],而實(shí)驗(yàn)上,體能帶通常表現(xiàn)為絕緣體的性質(zhì)[27,28].目前,基于單層1T'-WTe2中體絕緣態(tài)的物理起源問題有兩種主流的觀點(diǎn):一種是單層1T'-WTe2由于自旋-軌道耦合打開的體能隙為正能隙;另一種是單層1T'-WTe2由于自旋-軌道耦合打開的體能隙為負(fù)能隙,而費(fèi)米面附近會(huì)出現(xiàn)電子-電子相互作用產(chǎn)生的庫(kù)侖能隙.

第一種觀點(diǎn)主要是基于ARPES 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和大部分的輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果.2017 年Tang 等[27]利用ARPES 測(cè)量單層1T'-WTe2的體能帶結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)其由于自旋軌-道耦合而打開的能隙始終為正能隙,且能隙的正負(fù)與電子的填充無關(guān).同時(shí),基于電荷輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)在單層1T'-WTe2中測(cè)得量子化邊緣態(tài)也正是其體能帶結(jié)構(gòu)存在正能隙的直觀體現(xiàn)[31].理論上,通過考慮單層1T'-WTe2中的電子-電子相互作用,也同樣可計(jì)算出其能帶結(jié)構(gòu)中的正能隙[27].

另一種觀點(diǎn)主要是基于STM 實(shí)驗(yàn)結(jié)果.2018年,Li 團(tuán)隊(duì)[54]利用STS 圖和準(zhǔn)粒子干涉(quasiparticle interference technique,QPI)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)單層1T'-WTe2能帶結(jié)構(gòu)的測(cè)量.圖10(a)為單層1T'-WTe2中體內(nèi)的低能STS 譜.可以發(fā)現(xiàn),在費(fèi)米面附近存在能隙,且在接近–60 meV 的能量處存在態(tài)密度的極小值.圖10(b)為不同能量下的STS圖經(jīng)過傅里葉變換后的結(jié)果,其波矢q=kf–ki為電子的布洛赫波從初始態(tài)ki散射到末態(tài)kf的動(dòng)量變化.對(duì)比圖10(c)中給出的單層1T'-WTe2的能帶結(jié)構(gòu)可知,第一布里淵區(qū)中心用粉色和紅色標(biāo)注的橢圓分別為導(dǎo)帶的帶內(nèi)散射q1和價(jià)帶的帶內(nèi)散射q4,它們?cè)诟吣芰繒r(shí)獨(dú)立出現(xiàn),而在低能量時(shí)由于發(fā)生交疊而同時(shí)出現(xiàn).在第一布里淵區(qū)沿著Y-Γ-Y方向?qū)ΨQ的兩套橢圓分別為導(dǎo)帶的帶間散射q2(綠色)和價(jià)帶-導(dǎo)帶的帶間散射q3(橘黃色)[54].圖10(d)為通過QPI 技術(shù)測(cè)得的沿著Y-Γ-Y方向的能量-動(dòng)量色散關(guān)系,其中,q2—q4已在圖中用黑線標(biāo)注[54].從圖中可知,q3在一定的能量范圍內(nèi)出現(xiàn),這意味著由于自旋-軌道耦合引起的狄拉克點(diǎn)簡(jiǎn)并度的解除并不能完全打開能隙(負(fù)能隙),與基于單電子模型的計(jì)算結(jié)果一致.而費(fèi)米面附近單層1T'-WTe2的絕緣特性來源于多體相互作用.通過電子摻雜,發(fā)現(xiàn)單層1T'-WTe2的體帶隙一直位于費(fèi)米面,如圖10(e)所示,這說明該帶隙來源于電子間的庫(kù)侖相互作用.該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,單層1T'-WTe2由于自旋-軌道耦合,在能帶交疊處會(huì)打開負(fù)能隙,而在費(fèi)米面附近,由于電子-電子相互作用的存在,會(huì)打開庫(kù)侖能隙.考慮到單層1T'-WTe2的晶格結(jié)構(gòu)對(duì)其能帶結(jié)構(gòu)有顯著的影響,而襯底可以使單層1T'-WTe2的晶格發(fā)生微小的拉伸和壓縮,因此,樣品的制備方式的不同(包括MBE 和機(jī)械剝離技術(shù))和細(xì)微晶格結(jié)構(gòu)的差異可能是影響單層1T'-WTe2能帶結(jié)構(gòu)的重要原因.

圖10 利用STS 探測(cè)單層1T'-WTe2 中體絕緣態(tài)的物理起源[54] (a)在單層1T'-WTe2 體內(nèi)不同位置的低能STS 譜,紅色箭頭表示庫(kù)侖能隙,藍(lán)色箭頭表示局域態(tài)密度降低的能量位置;(b)不同能量STS 圖的傅里葉變換結(jié)果;(c)沿著動(dòng)量Y-Γ-Y 方向的能帶結(jié)構(gòu)示意圖,其中q1 為導(dǎo)帶的帶內(nèi)散射,q2 為兩個(gè)導(dǎo)帶間的帶間散射,q3 為導(dǎo)帶和價(jià)帶間的帶間散射,q4 為價(jià)帶的帶內(nèi)散射;(d)通過不同能量STS 圖的傅里葉變換得到的單層1T'-WTe2 能量-動(dòng)量色散關(guān)系,其中黑線為q1,q2,q3 帶色散;(e)不同濃度K 摻雜單層1T'-WTe2 得到的STS 譜,費(fèi)米面處存在庫(kù)侖能隙Fig.10.STS evidence of the physical origin of the bulk insulator in monolayer 1T'-WTe2[54]:(a) Spatially resolved low-energy STS spectra recorded in the bulk of monolayer 1T'-WTe2.The Coulomb gap and the minimum of local density of states are marked by the red and blue arrows,respectively.(b) The fast Fourier transform (FFT) image of the STS maps at different energies.(c) Band structures of monolayer 1T'-WTe2 along the direction of Y-Γ-Y in the reciprocal space.The corresponding scattering channels of are the intra-band scattering of the conduction band (q1),the inter-conduction band scattering (q2),the inter-band scattering between the valence and conduction bands (q3),and the intra-band scattering of the valence band (q4).(d) Energy-momentum dispersion along the Y-Γ-Y direction.The black lines schematically illustrate the band dispersion of q2,q3,and q4.(e) STS spectra taken on the 1T'-WTe2 surface with different potassium coverage.The Coulomb gap is located at the Fermi energy.

6 調(diào)控單層1T'-WTe2 中的拓?fù)浣^緣態(tài)

6.1 利用電場(chǎng)在單層1T′-WTe2 中實(shí)現(xiàn)二維拓?fù)浣^緣體-超導(dǎo)相變

2018 年,Sajadi 等[36]與Fatemi 等[37]通過輕摻雜單層1T'-WTe2體系,分別實(shí)現(xiàn)了將單層1T'-WTe2從二維拓?fù)浣^緣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài).通過將單層1T'-WTe2的上下表面用介電層hBN 封裝并引入電極(圖11(a)),可以測(cè)得不同溫度下,Rxx隨電子摻雜濃度ne的變化關(guān)系,如圖11(b)所示.其中,Rxx=dV/dI為四探針法測(cè)得的電阻,ne=(ctVt+cbVb)/e為電子摻雜濃度(ct和cb分別為頂柵和背柵的電容,Vt和Vb分別為頂柵和背柵的電壓).可以發(fā)現(xiàn),在當(dāng)單層1T'-WTe2未被摻雜時(shí),體系表現(xiàn)為二維拓?fù)浣^緣體的特征;當(dāng)電子摻雜濃度ne超過臨界值ncrit≈5×1012cm–2時(shí),電阻急劇下降,且當(dāng)溫度低于20 mK 時(shí)電阻可達(dá)至0.3 Ω,這意味著體系中出現(xiàn)了超導(dǎo)態(tài).圖11(c)給出了該調(diào)控過程的相圖.

下面將進(jìn)一步介紹輕摻雜單層1T'-WTe2體系中的超導(dǎo)特性.圖11(d)—(f)分別給出了在超導(dǎo)的單層1T'-WTe2中,Rxx隨溫度T、垂直磁場(chǎng)B⊥、平行磁場(chǎng)B∥的變化情況.這里定義T1/2為Rxx降低至1 K 時(shí)Rxx的一半時(shí)的溫度,B1/2為Rxx降低至其一半時(shí)的磁場(chǎng).從圖11(d)可知,對(duì)于所有的ne,Rxx隨著溫度的升高而下降的過程都是緩慢的,這是由于二維超導(dǎo)體正常態(tài)的電導(dǎo)不會(huì)超過e2/h.圖11(c)中的紅色圓點(diǎn)為以T1/2為標(biāo)準(zhǔn)給出的超導(dǎo)邊界.同時(shí),單層1T'-WTe2體系中的超導(dǎo)態(tài)也可以被垂直磁場(chǎng)B⊥和平行磁場(chǎng)B∥有效地抑制[36].由圖11(e)可得,(T0)≈25 mT,且超導(dǎo)相干長(zhǎng)度約為100 nm;由圖11(f)可得,≈3T.

此外,單層1T'-WTe2中二維拓?fù)浣^緣態(tài)與超導(dǎo)態(tài)在相圖上的近鄰關(guān)系暗示著螺旋邊界態(tài)與超導(dǎo)態(tài)之間可能存在某種關(guān)聯(lián)[23,36,37].圖11(g)為單層1T'-WTe2在不同溫度T和垂直磁場(chǎng)B⊥下,電導(dǎo)隨ne的變化曲線.在T=200 mK 且B⊥=0 T 的條件下,當(dāng)ne較低時(shí),單層1T'-WTe2體內(nèi)是絕緣的而邊界是導(dǎo)電的;當(dāng)ne>2×1012cm–2時(shí),電導(dǎo)隨著體內(nèi)逐漸導(dǎo)電而增加;一旦ne>ncrit,超導(dǎo)態(tài)的出現(xiàn)導(dǎo)致電導(dǎo)快速增加.而當(dāng)溫度升至T=1 K 時(shí),超導(dǎo)態(tài)不再存在,因此當(dāng)ne>ncrit時(shí)電導(dǎo)相對(duì)于T=200 mK 時(shí)降低,當(dāng)ne較低時(shí)邊界電導(dǎo)升高并接近理論值e2/h=39 μS.同樣地,B⊥=50 mT 的垂直磁場(chǎng)也可以有效地破壞超導(dǎo)態(tài),導(dǎo)致當(dāng)ne>ncrit時(shí)電導(dǎo)相對(duì)于B⊥=0 T 時(shí)降低,這是由于磁場(chǎng)可以通過破壞二維拓?fù)浣^緣體中的時(shí)間反演對(duì)稱性來有效地抑制邊界電導(dǎo).那么,如果此時(shí)將磁場(chǎng)降為零,可能會(huì)出現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)和螺旋邊界態(tài)共存的現(xiàn)象,這也暗示著體系中存在非常規(guī)超導(dǎo)配對(duì)和非平凡的拓?fù)湫?值得進(jìn)一步探索.

圖11 在單層1T'-WTe2 中實(shí)現(xiàn)二維拓?fù)浣^緣體-超導(dǎo)相變[36] (a) 基于單層1T'-WTe2 器件的光學(xué)顯微鏡圖及模型圖,其中單層1T'-WTe2 用hBN 介電層封裝,并通過石墨引入電極;(b)在不同溫度下,Rxx 隨電子摻雜濃度ne 的變化關(guān)系;(c)在單層1T'-WTe2 中發(fā)生二維拓?fù)浣^緣體-超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的相圖;(d)在不同ne 下,Rxx 隨溫度的變化曲線;(e)在高ne 時(shí),Rxx 隨垂直磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化關(guān)系,其中插圖為T1/2 隨溫度的變化以及B1/2 隨垂直磁場(chǎng)的變化;(f)在高ne 時(shí),Rxx 隨平行磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化關(guān)系,其中插圖為T1/2 隨平行磁場(chǎng)的變化,虛線為g 因子為2 時(shí)的泡利極限值BP;(g)在不同溫度和垂直磁場(chǎng)下,電導(dǎo)隨摻雜濃度的變化曲線,其中示意圖為不同位置單層1T'-WTe2 體和邊界的到點(diǎn)情況,其中體態(tài)的顏色與相圖一致,邊界態(tài)用紅色表示Fig.11.Realization of phase transition between two-dimensional topological insulating states and superconductivity in monolayer 1T'-WTe2 [36]:(a) Optical image and schematic device structure of monolayer 1T'-WTe2 with encapsulated hBN dielectric layers and two graphite gates.(b) Rxx as a function of electrostatic doping ne under different temperatures.(c) experimental phase diagram of phase transition between two-dimensional topological insulating states and superconductivity in monolayer 1T'-WTe2.(d) Rxx as a function of temperature under different ne.(e) Rxx as a function of perpendicular magnetic field at the highest ne value.Inset:T1/2 as a function of temperature,as well as B1/2 as a function of perpendicular magnetic field.(f) Rxx as a function of parallel magnetic field at the highest ne value.Inset:T1/2 as a function of parallel magnetic field.The Pauli limit BP,assuming g factor of 2,is indicated by the dashed line.(g) Conductance as a function of ne under different temperatures and perpendicular magnetic field.Schematics indicate the state of edge and bulk conduction of monolayer 1T'-WTe2 at different points.The bulk is colored to match the phase diagram,and red indicates a conducting edge state.

6.2 利用應(yīng)力在單層1T′-WTe2 中實(shí)現(xiàn)半金屬-絕緣體相變

有效調(diào)控量子自旋霍爾絕緣體中的體帶隙對(duì)自旋電子學(xué)器件的發(fā)展具有重要的意義[24].2020年,Zhao 等[38]利用STM 首次證實(shí)應(yīng)力可以使單層1T'-WTe2從二維拓?fù)浒虢饘賾B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥負(fù)浣^緣態(tài).圖12(a)—(c)給出了在應(yīng)力的作用下,單層1T'-WTe2的原子分辨STM 圖及其STS 譜.從圖12(a)—(c)可以看到,當(dāng)晶格常數(shù)不同時(shí),STS譜存在顯著的差異,且在某些特定的應(yīng)力下,費(fèi)米面附近表現(xiàn)出明顯的帶隙.圖12(d)和圖12(e)為費(fèi)米附近的能隙隨單層1T'-WTe2晶格常數(shù)的變化關(guān)系.從圖12(d)和圖12(e)可以看出,單層1T'-WTe2長(zhǎng)軸(a軸)的壓縮或短軸(b軸)的拉伸都可以導(dǎo)致體能隙的增加,即實(shí)現(xiàn)單層1T'-WTe2從半金屬到絕緣體的轉(zhuǎn)變[35].

圖12 利用應(yīng)力在單層1T'-WTe2 中實(shí)現(xiàn)絕緣體-半金屬相變[38] (a)—(c)在應(yīng)力作用下,單層1T'-WTe2 的原子分辨STM 圖及其STS 譜;(d),(e)單層1T'-WTe2 的體帶隙隨其晶格常數(shù)a 和b 的變化;(f)單層1T'-WTe2 隨晶格常數(shù)a 和b 變化的相圖,其中實(shí)驗(yàn)上測(cè)得的結(jié)果用黑色圓圈標(biāo)注;(g)理論計(jì)算單層1T'-WTe2 的A 邊界能帶結(jié)構(gòu),計(jì)算的晶格常數(shù)a=6.33 ?,b=3.54 ?;(h)垂直于A 邊界的空間分辨STS 譜,可以看到明顯的一維邊界態(tài)Fig.12.Strain tunable phase transition between topological insulator and semimetal insulator in monolayer 1T'-WTe2[38]:(a)?(c) Atomically resolved STM images and corresponding STS spectra in monolayer 1T'-WTe2 under strain.(d),(e) Energy gap as a function of strains along the a or b directions in monolayer 1T'-WTe2.(f) Phase diagram of monolayer 1T'-WTe2 as a function of lattice constants a and b.Strain conditions acquired from the experimental data are marked by black circles.(g) Calculated edge states along the A edge with the lattice constants a=6.33 ?,b=3.54 ?.(h) Spatially resolved STS spectra recorded across the A edge.One-dimensional edge states can be clearly identified.

這個(gè)現(xiàn)象可以用軌道理論來解釋[38]:單層1T'-WTe2的導(dǎo)帶和價(jià)帶分別由W 原子的dxz和Te 原子的py軌道主導(dǎo).在a軸方向上,dxz軌道呈現(xiàn)類似于ddπ*的反鍵態(tài),而py軌道呈現(xiàn)類似于ppπ 成鍵態(tài).當(dāng)對(duì)單層1T'-WTe2施加沿著a軸(b軸)方向的拉(壓)應(yīng)力時(shí),ddπ*和ppπ 都變?nèi)?使得導(dǎo)帶的能量降低而價(jià)帶的能量升高,進(jìn)而增強(qiáng)了它們之間的耦合,導(dǎo)致金屬性變強(qiáng).然而,當(dāng)對(duì)體系施加沿著a軸(b軸)方向的壓(拉)應(yīng)力時(shí),ddπ*和ppπ都增強(qiáng),使得導(dǎo)帶的能量升高而價(jià)帶的能量降低,導(dǎo)致它們的能量交疊變少,直至消失,實(shí)現(xiàn)半金屬-絕緣體的相變.值得注意的是,利用MBE 生長(zhǎng)的單層1T'-WTe2的晶格常數(shù)通常處于拓?fù)浒虢饘俸屯負(fù)浣^緣體的交界處,且拓?fù)溥吔鐟B(tài)在應(yīng)力的作用下是穩(wěn)定存在的,如圖12(f)—(h)所示[38],這為單層1T'-WTe2中拓?fù)鋺B(tài)的調(diào)控帶來了便利.

7 總結(jié)與展望

以單層1T'-WTe2為代表的二維TMD 材料體系具有豐富的物理性質(zhì),為研究新奇量子物態(tài)提供了理想的平臺(tái).本文主要綜述了單層1T'-WTe2這一新型二維量子自旋霍爾絕緣體在實(shí)驗(yàn)上的最新進(jìn)展.量子自旋霍爾絕緣體的必要條件,包括能帶的反轉(zhuǎn)、體能隙的存在、螺旋邊界態(tài)的存在、邊界為e2/h量子霍爾電導(dǎo)、以及該電導(dǎo)對(duì)磁場(chǎng)的塞曼響應(yīng)等,近年來已被ARPES,STM,STS,MIM和電荷輸運(yùn)等實(shí)驗(yàn)手段相繼證實(shí).更進(jìn)一步,通過電子摻雜和應(yīng)力等調(diào)控手段,成功地在體系中引入更多新奇的量子物態(tài),包括拓?fù)浣^緣體、拓?fù)浒虢饘佟⒊瑢?dǎo)等.

然而,基于單層1T'-WTe2的基礎(chǔ)研究仍面臨著很大的挑戰(zhàn),其中最重要的問題是高質(zhì)量、大面積單層1T'-WTe2樣品的制備工藝尚未成熟.目前,量子自旋霍爾效應(yīng)都是在機(jī)械剝離的單層1T'-WTe2樣品中實(shí)現(xiàn)的,然而以這種方法得到的薄膜尺寸有限且產(chǎn)量較低,這大大地限制了其應(yīng)用.利用MBE 和化學(xué)氣相沉積技術(shù)雖然可以實(shí)現(xiàn)大面積單層1T'-WTe2薄膜的可控制備,但是薄膜的質(zhì)量依賴于襯底的選擇,且不可避免地會(huì)引入缺陷和雜質(zhì)等,極大地影響了材料本征的性質(zhì).同時(shí),單層1T'-WTe2的轉(zhuǎn)移技術(shù)尚未成熟,在轉(zhuǎn)移的過程中不可避免地會(huì)對(duì)樣品造成破壞,限制了基于單層1T'-WTe2器件的制備與性能測(cè)量.因此,可控制備高質(zhì)量、大面積單層1T'-WTe2樣品和完善基于二維材料的干法轉(zhuǎn)移技術(shù)是亟待解決的問題.此外,基于單層1T'-WTe2的物性研究值得更加深入的探索,例如,如何利用更簡(jiǎn)單、更便捷、更可靠的技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)其中新奇量子物態(tài)的調(diào)控;二維量子自旋霍爾態(tài)與超導(dǎo)態(tài)等其他物態(tài)之間量子序的關(guān)聯(lián);是否存在更多新奇的量子物態(tài);以及相變的微觀機(jī)理等,這在低功耗、小尺寸、高可靠性的自旋電子學(xué)器件領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景.更進(jìn)一步,如果能在單層1T'相TMD 材料中通過近鄰效應(yīng)、離子摻雜等手段引入磁性、超導(dǎo)等物態(tài),這將對(duì)馬約拉納費(fèi)米子研究、拓?fù)淞孔佑?jì)算等領(lǐng)域的發(fā)展具有重大的意義.