【仪器设备快讯】大型仪器设备功能开发助力在二维拓扑绝缘体研究中取得重大进展

近日，南京大学物理学院李绍春教授课题组在二维拓扑绝缘体研究中取得重大进展。该课题组使用精控分子束外延技术首次生长出大带隙的二维拓扑绝缘体ZrTe5单层，通过扫描隧道显微学测量发现单层ZrTe5具有不同于体结构的两种全新结构相，并存在高达~250 mV的拓扑非平庸带隙和边界金属态，为未来实现室温量子自旋霍尔效应提供了可能的材料平台。该研究成果已于2024年6月5日在国际顶级学术期刊《Nature Communications 》上发表。

李绍春教授课题组长期致力于二维拓扑绝缘体的实验探索。早在2016年，该课题组首次利用扫描隧道显微谱学技术证实了单晶ZrTe5为三维弱拓扑绝缘体。随后，又利用分子束外延技术成功获得二维拓扑绝缘体单层1T’-WTe2 并发现了电子相互作用的库仑能隙。然而，扫描隧道显微谱学测量显示单层1T’-WTe2具有半金属型能带（负能隙），不利于量子自旋霍尔效应的观测。最近，该课题组通过使用分子束外延与扫描隧道显微镜联合系统，使用精控分子束外延技术，提高了外延过程中的温度和束流精度，首次成功生长出了二维拓扑绝缘体单层ZrTe5 (图1）。该发现为探索室温量子自旋霍尔效应提供了一个非常理想的材料平台。

图1 单层ZrTe5的形貌表征。a单层ZrTe5在BLG/SiC衬底上的表面形貌图。(b, d) 分别为相1和相2的形貌放大图。

(c, e) 分别为两种相的剖面轮廓线。(f, g) 为单层ZrTe5的XPS测量结果。

(h, i) 为相1正负偏压下原子分辨。(j, k) 为相2正负偏压下原子分辨。

此项研究的成功，得益于国家自然科学基金委、科技部重点研发计划、科技创新2030计划以及南京大学的长期投入和对大型设备的支持。该研究依托分子束外延与扫描隧道显微镜联合系统（图2）。核心设备组成：分子束外延设备（MBE）和扫描隧道显微镜（STM）。分子束外延是在超高真空环境下，通过原子或者分子无碰撞到达基底表面，可严格控制生长速率，实现薄膜材料的单原子层级生长。扫描隧道显微镜是利用量子隧穿效应，通过探测样品表面与扫描探针之间的隧穿电子，对样品表面的形貌进行表征。特别是在极低温和强磁场的条件下，可以在原子尺度上理解材料的物理性质。本实验室所用的扫描隧道显微镜的空间分辨率为~0.1Å，能量分辨率为0.1meV。通过稀释制冷技术可以获得最低为~30mK的极低温条件，同时还配有9T，2T，2T的矢量强磁场，可以对材料的原子和电子性质进行精确测量，从而观测到丰富新奇的物性。

图2 MBE-STM 联合系统

此外，此套系统的设计在购置前经过严格的科学论证和选型，使得其不仅满足当前的研究需求，还具备强大的功能拓展性。例如，此系统未来不仅可以与光结合，探测光激发条件下的物理行为，还可以具备自旋属性，在原子尺度探测材料的磁结构。

该实验系统凭借多样化的测量手段，展现了出色的资源共享能力，能够吸引更多科研团队在此平台上开展多元化研究，从而促进大型科研仪器的开放共享与资源的高效利用，并增强多边交流与合作。

这一显著成就不仅彰显了高端大型科研设备在推动科学发现中的核心作用，还深刻揭示了这些设备在资源共享方面的巨大潜能。这有助于提升科研资源的利用效率，深化科研机构间的合作与知识互鉴，进一步推动科技前沿的探索。展望未来，我们将继续致力于强化科研基础设施的建设，并大力推广开放共享的理念，通过跨领域的协同合作，推动高水平的科技自立自强与创新发展。