拓扑绝缘体的体态绝缘，但在其表面或边界处的电子态可形成无耗散的导电通道，在低功耗电子器件具有极大的潜在应用价值而广受关注。例如在二维拓扑绝缘体中，其受保护的拓扑边缘态将在边界处形成一维的自旋极化电子通道，从而实现量子自旋霍尔效应。中国科学院上海微系统与信息技术研究所原位电子结构课题组与中国科学院上海高等研究院、上海科技大学展开联合研究，通过分子束外延法首次成功合成了高质量的二维拓扑绝缘体——蜂窝状碲烯薄膜，并通过扫描隧道显微镜（STM）和角分辨光电子能谱（ARPES）技术，成功观测和揭示了蜂窝状碲烯中的拓扑能隙和拓扑边缘态电子结构。相关研究结果以“Realization of Honeycomb Tellurene with Topological Edge States” 为题于7月22日发表Nano Letters（DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c02171，论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c02171。

在二维拓扑绝缘体中，以一维形式存在于边界处的拓扑边缘态受到时间反演对称性保护，使得边缘态中的自旋极化电子对非磁缺陷或杂质引起的散射不敏感，可以最大限度地避免非磁杂质散射而产生的能量耗散，是实现低功耗电子器件应用的重要研究平台。

蜂窝状结构的二维薄膜是实现量子自旋霍尔效应的理想材料，源于该体系独特的晶格结构，使其在布里渊区K点处产生狄拉克点，例如已被人们熟知的石墨烯。但由于构成石墨烯材料的碳元素自旋轨道耦合（SOC）强度非常低，难以在狄拉克点处打开能隙且实现量子自旋霍尔效应。但对于第六主族碲元素由于具有较强的SOC效应，其构成的蜂窝状晶格薄膜——碲烯，在狄拉克点处能够打开能隙，产生边缘态，是实现室温量子自旋霍尔效应的理想候选材料。然而，碲元素复杂的化合价态使得由其构成的蜂窝状结构薄膜生长难度较大，而一直未被报道过。

最近，中国科学院上海微系统与信息技术研究所原位电子结构课题组与中国科学院上海高等研究院叶茂研究员、上海科技大学李昂研究员和上海科技大学大科学中心姜琦博士后合作，通过分子束外延法成功在1T-NiTe2薄膜上合成了高质量的蜂窝状碲烯，并通过扫描隧道显微镜（STM）和低能电子衍射（LEED）清晰揭示了其蜂窝状晶格结构（图1）。

图1碲烯的结构表征。(a) 碲烯/NiTe2异质结STM图像。(b) 异质结LEED图案。(c,d) 碲烯高分辨STM图像。(e) 结构模型。

研究团队利用上海微系统所承担建设的“基于上海光源的原位电子结构综合研究平台(SiP.ME2)”的高精度微聚焦角分辨光电子能谱（ARPES）线站（上海光源BL03U）直接观测到了碲烯中拓扑能隙（图2）；并通过扫描隧道谱学（STS）技术结合DFT计算，在碲烯边界处观察到了拓扑边界态（图3）。

图2 碲烯的电子结构表征。(a,b) 计算的碲烯能带结构。(c,d) ARPES及其二阶微分图。

图3 碲烯的拓扑边界态表征。(a) STM图像。(b) 三种位置的STS。(c) 边界态能带结构。(d-f) STS谱图。

该研究不仅为第六主族单元素蜂窝状二维材料的生长提供了参考，更重要的是为实现二维量子自旋霍尔效应提供了全新的材料平台。此项工作由中科院上海微系统与信息技术研究所，中国科学院上海高等研究院和上海科技大学的科研团队合作完成。中科院上海微系统与信息技术研究所博士生刘建忠、上海科技大学博士后姜琦和中科院上海微系统与信息技术研究所博士生黄本锐为共同第一作者。中国科学院上海高等研究院叶茂研究员，上海科技大学物质学院及拓扑物理实验室李昂研究员，上海科技大学大科学中心博士后姜琦为共同通讯作者。中国科学院上海微系统与信息技术研究所为论文的第一完成单位。该工作获得科技部国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的支持。

论文链接： https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c02171 “Realization of Honeycomb Tellurene with Topological Edge States” Nano Lett. 2024, vol.24, issue 30, page 9296–9301.