中科大在二维锡烯拓扑材料研究中取得重要进展
中安在线、中安新闻客户端讯 近日，记者从中国科学技术大学获悉，经过近三年反复摸索，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心与清华大学以及美国斯坦福大学合作，利用低温分子束外延技术成功制备出了具有拉伸晶格结构的单层锡烯，并结合第一性原理计算证实了其存在拓扑能带反转及拓扑边界态。
具有拓扑能带反转和大拓扑能隙的纯平锡烯的实验实现，为类石墨烯的拓扑物性研究开辟了一条新的研究路线，将对二维量子材料的研究和应用开发起到重要推动作用。后续拟开展的研究工作将通过优化衬底和增加栅极以隔绝衬底电子相互作用并实现拓扑能隙的调控，为最终制备可实用的室温拓扑器件提供研究基础。
纯平蜂窝结构锡烯的制备和原子尺度形貌图(1-3)、结构模型(4-5)、理论计算(6)和实验观测到的电子能带结构(7-8)。
类石墨烯结构的IV族元素二维晶体材料及其物性研究，是当前凝聚态物理学和材料科学领域的重要焦点。其中，基于元素锡(Sn)的二维类石墨烯晶体锡烯(Stanene)因其具有很强的电子自旋-轨道耦合，被认为是继石墨烯后又一种具有优越物理性质的新型量子材料。锡烯是一种理想的大能隙二维拓扑绝缘体，有望实现室温量子自旋霍尔效应，在拓扑电子学器件应用方面具有重要的意义。过去几年中，国内外多个研究组在不同的衬底表面制备了单层锡烯，但由于受衬底影响，这些已制备出的锡烯都具有非平面的翘曲结构且均未表现出拓扑物性。如何制备出具有拓扑特性的锡烯，成为二维类石墨烯材料物性研究亟待突破的重要难题。
该研究工作首次发现单层锡烯可以表现出与石墨烯完全一致的平面蜂窝状结构，为碳基石墨烯家族添加了锡基成员。实验中观测到纯平锡烯的化学惰性以及缺陷结构，也证实了其与碳基石墨烯具有诸多相似性，有望为平面蜂窝结构的材料提供新的研究平台。更为重要的是，由于衬底的外延作用，这一纯平锡烯的晶格常数高达0.51纳米，故存在因晶格拉伸导致的s-p轨道拓扑能带反转，即具有拓扑特性。进一步的理论计算还预言了在纯平蜂窝结构的锗烯和铅烯中也存在类似的拓扑特性，从而构成了一类新型的二维拓扑量子材料家族。(记者聂静洁)