中國粉體網(wǎng)11月4日訊  眾所周知，二維拓撲絕緣體的體內(nèi)是絕緣的，而其邊界是無能隙的金屬導電態(tài)。且這種金屬態(tài)中存在自旋－動量的鎖定關系，相反自旋的電子向相反的方向運動，由于受到時間反演不變性的保護，它們之間的散射是禁止的，因此是自旋輸運的理想“雙向車道”高速公路，可用于新型低能耗高性能自旋電子器件。當前實驗證實的二維拓撲絕緣體有hgte/cdte和inas/gasb等的量子阱。但它們的樣品制備需要精準的調控，不利于規(guī)�；�生產(chǎn)；體能隙小，需要在低溫下應用。這些都阻礙了二維拓撲絕緣體的實際應用。一個好的二維拓撲絕緣體必須：（1）具有層狀結構，易于得到化學穩(wěn)定的二維系統(tǒng)；（2）體能隙大，在室溫下就能觀測到量子自旋霍爾效應，可用于日常電子器件。

    2014年，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）的凝聚態(tài)理論與材料計算實驗室翁紅明副研究員和戴希、方忠研究員通過廣泛的材料數(shù)據(jù)庫搜索并結合材料計算，成功預言了含有過渡金屬zr和hf的碲化物zrte 5和hfte5，確認它們的單層是大能隙的二維拓撲絕緣體。它們體態(tài)的直接能隙有0.4ev，間接能隙有0.1ev，均高于室溫。其層間耦合強度跟石墨相似，因此可以通過簡單的機械剝離方法制備單層二維材料，適合大規(guī)模生產(chǎn)。他們的計算結果還表明，其拓撲特性在相當大范圍的晶格應變（壓縮10%到拉伸20%）下保持不變，可以適用于不同的襯底和應用環(huán)境。這些都表明zrte 5和hfte5的單層是理想的二維拓撲絕緣體材料。另外，由于是過渡金屬化合物，不同的金屬元素替代摻雜比較容易，提供了良好的拓撲物性調控手段。譬如，磁性摻雜可實現(xiàn)量子化反�；魻栃�應等。

    他們進一步計算表明，三維的zrte5和hfte5處于三維強、弱拓撲絕緣體相變點附近，熱脹冷縮或是微小的壓力都可能導致強、弱拓撲絕緣態(tài)的轉變，并引起表面態(tài)的變化。因此在實驗上觀測到這樣的量子現(xiàn)象是非常有趣的。

    相關研究得到國家自然科學基金委員會和科技部有關基金的支持。這一研究成果已發(fā)表在phys.rev.x4,011002(2014)上。

    zrte5和hfte5的三維層狀晶體結構及其單層。

    zrte5和hfte5的層間耦合跟石墨一樣弱，可用類似的簡單的機械剝離方法制備二維材料。

    在較大的晶格應變下(-10%~20%)，zrte5保持大能隙，且其拓撲性質也保持穩(wěn)定。

    三維zrte5處于三維強、弱拓撲絕緣態(tài)的轉變點附近。