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2015年第1期 总第005期 2月
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预言新型二维大能隙拓扑绝缘体ZrTe5和HfTe5

  众所周知,二维拓扑绝缘体的体内是绝缘的,而其边界是无能隙的金属导电态。且这种金属态中存在自旋-动量的锁定关系,相反自旋的电子向相反的方向运动,由于受到时间反演不变性的保护,它们之间的散射是禁止的,因此是自旋输运的理想“双向车道”高速公路,可用于新型低能耗高性能自旋电子器件。当前实验证实的二维拓扑绝缘体有HgTe/CdTe和InAs/GaSb等的量子阱。但它们的样品制备需要精准的调控,不利于规模化生产;体能隙小,需要在低温下应用。这些都阻碍了二维拓扑绝缘体的实际应用。一个好的二维拓扑绝缘体必须:(1)具有层状结构,易于得到化学稳定的二维系统;(2)体能隙大,在室温下就能观测到量子自旋霍尔效应,可用于日常电子器件。
  2014年,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)的翁红明副研究员和戴希、方忠研究员通过广泛的材料数据库搜索并结合材料计算,成功预言了含有过渡金属Zr和Hf的碲化物ZrTe5和HfTe5,确认它们的单层是大能隙的二维拓扑绝缘体。它们体态的直接能隙有0.4 eV,间接能隙有0.1eV,均高于室温。其层间耦合强度跟石墨相似,因此可以通过简单的机械剥离方法制备单层二维材料,适合大规模生产。他们的计算结果还表明,其拓扑特性在相当大范围的晶格应变(压缩10%到拉伸20%)下保持不变,可以适用于不同的衬底和应用环境。这些都表明ZrTe5和HfTe5的单层是理想的二维拓扑绝缘体材料。另外,由于是过渡金属化合物,不同的金属元素替代掺杂比较容易,提供了良好的拓扑物性调控手段。譬如,磁性掺杂可实现量子化反常霍尔效应等。
  他们进一步计算表明,三维的ZrTe5和HfTe5处于三维强、弱拓扑绝缘体相变点附近,热胀冷缩或是微小的压力都可能导致强、弱拓扑绝缘态的转变,并引起表面态的变化。因此在实验上观测到这样的量子现象是非常有趣的。
  相关研究得到国家自然科学基金委员会和科技部有关基金的支持。这一研究成果已发表在Phys. Rev. X4, 011002 (2014)上。

 
ZrTe5和HfTe5的三维层状晶体结构及其单层。
 
ZrTe5和HfTe5的层间耦合跟石墨一样弱,可用类似的简单的机械剥离方法制备二维材料。
 
在较大的晶格应变下(-10%~20%),ZrTe5保持大能隙,且其拓扑性质也保持稳定。
 
三维ZrTe5处于三维强、弱拓扑绝缘态的转变点附近。
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