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用二维材料对导电边缘进行成像

一个由加州大学河滨分校和华盛顿大学科学家组成的研究小组首次直接拍摄了单层钨二碲化钨(WTe2)的“边缘传导”图像。钨二碲化钨(WTe2)是一种新发现的二维拓扑绝缘体和量子材料。这项研究使得利用这种边缘传导特性来制造更节能的电子设备成为可能。在典型的导体中,电流到处流动。另一方面,绝缘体不容易导电。拓扑绝缘子是一种特殊的材料,其内部作为绝缘子工作,但由于其拓扑性质,保证了这种材料的边界是导电的,从而产生了一种称为“拓扑边缘导电”的特性。拓扑学是对几何图形或固体性质的数学研究,这些性质不会因拉伸或弯曲而改变。将这一概念应用到电子材料中会发现许多有趣的现象,包括拓扑边缘传导。

博科园-科学科普:拓扑边缘传导通道的工作原理就像电子的高速公路,它允许电子在几乎没有阻力的情况下运动。此外,由于边缘通道可能非常窄,电子设备可以进一步小型化,研究结果发表在2019年2月8的《科学进展》上。领导这项研究的UCR物理学和天文学助理教授崔永涛(音译)说:一些材料已经被证明是三维拓扑绝缘体,但二维拓扑绝缘体非常罕见,最近的一些实验证实,单层钨二碲化钨(WTe2)是第一种原子薄的二维拓扑绝缘体。对于三维拓扑绝缘体,导电出现在其表面。对于像二维薄板一样的材料,这种导电特性仅仅存在于薄板的边缘。实验室使用了一种名为微波阻抗显微镜(MIM)的新实验技术,直接成像单层钨二碲化钨(WTe2)边缘的传导。

  • 单层钨二碲化钨(WTe2)薄片角附近的典型MIM图像,明亮的锯齿形线表明在单层钨二碲化钨(WTe2)边缘有精确的传导特征。图片:Cui lab, UC Riverside

结果明确地证实了这种有前途的材料的边缘传导。尽管钨二碲化钨(WTe2)已经存在了几十年,但由于其奇异的物理和电子特性是在拓扑物理学中发现的,人们对这种材料的兴趣在最近几年才得到提升。钨二碲化钨(WTe2)通过范德华相互作用堆积在一起,很容易剥离成薄的二维石墨烯状薄片。除了单层WTe2的边缘导电外,还发现,由于缺陷(如裂纹),导电通道可以延伸到材料内部。观测结果为通过机械或化学手段控制和设计这种传导通道指明了新方法。崔在华盛顿大学的合作者准备了单层钨二碲化钨(WTe2)样品。在UCR实验室进行了MIM测量,包括向尖锐的金属尖端发送微波电信号,并将尖端定位在单层钨二碲化钨(WTe2)的表面附近。

研究人员崔永涛是加州大学河滨分校物理学和天文学助理教授。图片:I. Pittalwala, UC Riverside

通过分析样品反射回来的微波信号,研究人员可以确定直接位于针尖下方的样品区域是否导电。扫描了整个样品的尖端,并直接绘制了局部电导率,在低温下进行了所有的测量,这是单层钨二碲化钨(WTe2)显示其拓扑特性所必需的。单层钨二碲化钨(WTe2)的拓扑性质可以作为实现量子计算基本运算平台。实验室已经在探索操纵单层钨二碲化钨(WTe2)边缘传导通道和拓扑物理的新方法。研究团队正在研究将钨二碲化钨(WTe2)单层与其他2d材料叠加是否会改变其拓扑性质,还使用机械和化学方法来创建传导通道网络。使用的MIM技术提供了一种强大的手段来表征拓扑材料(如单层钨二碲化钨(WTe2))中的传导通道。

  • 测量设置的说明,单层钨二碲化钨(WTe2)薄片位于SiO2/Si基板上,并被薄的六角形氮化硼薄片(hBN)覆盖,以防止其降解。


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