Monosluoksniai turi kraštą | gamtos fizika

Monosluoksniai turi kraštą | gamtos fizika

Anonim

Dalykai

  • Elektroninės savybės ir medžiagos
  • Topologinė medžiaga

Šis straipsnis buvo atnaujintas

Du tyrimai rodo, kad pavieniai pereinamojo metalo dikalogenido sluoksniai yra dvimatis topologinis izoliatorius.

Teorinė prognozė, kad topologiniai izoliatoriai - birios izoliacinės medžiagos, pasižyminčios sraigtiniais laidumo ribojimo būdais ir turinčios topologinę kilmę, prieš šiek tiek daugiau nei dešimtmetį - uždegė topologinių medžiagų lauką 1, 2 . Šios srities požymis buvo pagrindinis teorijos vaidmuo numatant ne tik naujus topologinius reiškinius, bet ir konkrečias medžiagų sistemas, kur tai galima pastebėti. Rašydami gamtos fizikoje , dvi grupės parodo, kad ši paradigma gyva ir gerai, pateikdami eksperimentinius įrodymus, pagrindžiančius prognozę 3, kad laisvai stovintys volframo ditellurido (WTe 2 ) monosluoksniai yra dviejų matmenų topologiniai izoliatoriai (2D TI) 4, 5 .

Eksperimentiniai 2D TI, turinčių priešingą sukinį (spiraliniai režimai) vienodais sklidimo briaunų režimais, pagrindinį dėmesį skyrė heterostruktūroms, tokioms kaip Hg / CdTe kvantiniai šuliniai 6, nes kvantinis uždarumas gali sukelti reikiamą apverstos juostos struktūrą. pasiekti tokią būseną. Bet realizuodami 2D TI fazę laisvai stovinčiame sluoksnyje už heterostruktūros ribų, atsirastų įdomių perspektyvų, pavyzdžiui, būtų galima integruoti kitas 2D medžiagas į dizainerio van der Waalso heterostruktūras, taip pat būtų galima tiesiogiai patekti į medžiagą paviršiaus zondais.

2014 m. Atliktame tyrime, kuriame buvo naudojami pagrindiniai principų skaičiavimai, buvo prognozuojama, kad pereinamųjų metalų dichalkogenidų monosluoksniai gali būti 2D TI, jei jie egzistuoja tam tikroje iškreiptoje struktūrinėje fazėje, nes struktūrinis iškraipymas sukels apverstą tūrinių juostų struktūrą, panašią į tą, kurią sukelia kvantai. 3 izoliacija. Ir esant stipriai besisukančiai orbitos jungčiai, šių apverstų juostų kirtimo taškai būtų išplatinti, sudarant dvimatį topologiškai ne trivialų izoliatorių. Dėl stipraus „WTe 2“ sukimosi orbitoje efekto, kurį lemia sunkūs jo sudedamieji elementai, ir natūralus giminingumas struktūrinei fazei, kurios reikia norint pamatyti tokį poveikį, žinomą kaip 1T ′ fazė, padarė jį ypač perspektyviu kandidatu.

Dvi savybės, būtinos patvirtinant 2D TI elgseną kandidatinėje medžiagoje, yra (1), kad tūrinės juostos struktūra yra spraga, ir (2), kad mėginio, kuriame yra šeimininko, kraštiniai nesusieti spiraliniai režimai, kurių kiekvienas turi laidumą e 2 / h . Ryškus dviejų dabartinių 1T′-WTe 2, kaip 2D TI kandidato, egzaminų aspektas yra tas, kad jie, spręsdami šiuos reikalavimus, naudojasi laisvai stovinčiu pobūdžiu ir tai daro labai vienas kitą papildančiu būdu.

Shujie Tangas ir jo kolegos užaugino 1T′-WTe 2 monosluoksnius naudodami molekulinio pluošto epitaksiją (MBE) ant dvisluoksnio grafeno 4 (1 pav., Kairėje). Vėlesni spektrai, paimti naudojant fotoemulsijos ir skenavimo tunelių mikroskopijos metodus, parodė, kad tūrinis juostos atotrūkis yra maždaug 50 meV, o tai yra eilės laipsnis didesnis nei ankstesniais 2D TI kvantinių šulinių realizavimais. Įrodyta, kad susimaišo tarp laidumo ir valentinių juostų orbitinio pobūdžio, įrodymų, kad šis tūrinis juostos topologinis pobūdis nėra nereikšmingas. Be to, ryškus vietinio tankio skirtumas tarp tarpsluoksnių ir monosluoksnių kraštų, nustatytas tunelių spektroskopijos būdu, rodo, kad kraštai yra laidūs - kaip ir tikėtasi 2D TI.

Image

Visas dydis

Papildydami šį spektroskopinį vaizdą, Zaiyao Fei ir kolegos pranešė apie tiesioginį briaunos laidumą zonde 1T′-WTe 2 monosluoksniais elektriniu transportu 5 . Užuot naudoję MBE užaugintus monosluoksnius, jie tiria mechaniškai išsausintus dribsnius iš birių 1T′-WTe2 kristalų, įpakuotų į chemiškai inertinį šešiakampį boro nitridą (hBN) (1 pav., Dešinėje). Šiais prietaisais jie įrodo, kad monosluoksniai turi laidumą didžiojoje juostos juostoje, kuri yra lokalizuota krašte ir išlieka maždaug iki 100 K - lygiagrečiai didelėms juostos juostos temperatūros skalėms, kurias nustatė Tangas ir kolegos.

Taip pat reikšmingas pastebėjimas, kad gabenimo savybės yra jautrios 1T′-WTe 2 sluoksnių skaičiui išpūstoje krūvoje. Sraigtiniai režimai, būdingi 2D TI, yra apsaugoti nuo grįžtamojo persisukimo simetriškai keičiant laiką, nes toks sklaida reikalauja pakeisti elektrono sukinį. Bet kai du 2D TI sluoksniai sudedami kartu, laiko keitimas neapsaugo nuo tarpsluoksnių susigrąžinimo ir vietoj to dešinysis judantis elektronas gali išsibarstyti į kairę judančią būseną, šokinėdamas prie gretimo sluoksnio. Tiesioginiame susirašinėjime Fei ir kt . atkreipkite dėmesį, kad dvigubas 1T′-WTe 2 sluoksnis, palyginti su monosluoksniu, žymiai sumažina laidumą didžiojoje juostos juostoje. Kaip pratęsimą jie taip pat suvokia, kad aiškiai sulaužius laiko grįžtamumo simetriją su magnetiniu lauku, monosluoksnio briaunos laidumas briaunose rodo spragos atsivėrimo požymius, kaip ir galima tikėtis esant 2D TI.

Žingsniai vis dėlto liko, kol 1T′-WTe 2, kaip 2D TI, atvejis nebus baigtas. Svarbiausias iš jų yra briaunos laidumo kvantavimo stebėjimas numatytąja e 2 / h verte. Įrenginiuose su siauriausio krašto kraštais, turinčiais 150 nm kontaktinį atstumą, didžiausias briaunų laidumas briaunose, pastebėtas Fei ir kt . yra maždaug pusė teorinės vertės - jie rodo, kad kaltininkas gali būti stiprus sutrikimas, būdingas jų dribsnių išblukintam pobūdžiui. Tada gali būti, kad MBE užaugintos medžiagos iš Tang ir kt . galėtų būti platforma realizuoti kvantizavimą kraštiniuose režimuose ir kiekybiškai įrodyti jų vietinį pobūdį - jei būtų naudojamas nelaidus substratas.

Taip pat pastebėtina, kad nors laisvas šių medžiagų pobūdis yra pagrindinis jų naujumo veiksnys, abiejuose eksperimentuose stengiamasi jas izoliuoti inertinėse heterostruktūrose, kad būtų apsaugota. Pasukti tai link sąsajų su kitomis naujomis medžiagomis (2D ar kitokiomis) yra jaudinanti perspektyva, kurioje gali pasirodyti 2D TI, kurie naudojami dar egzotiškesnių topologinių fazių prognozėms 7 .

Pokyčių istorija