ACS Nano：具有拓扑能带反转的单层笼目纳米薄片的外延生长

能源学报

英文原题：Epitaxial Growth of Single-Layer Kagome Nanoflakes with Topological Band Inversion

通讯作者：陈伟，新加坡国立大学化学系/物理系/天津大学-新加坡国立大学福州联合学院；Andrew T.S. Wee, 新加坡国立大学物理系；苟健，新加坡国立大学物理系

作者：Sisheng Duan (段嗣盛), Jing-Yang You (尤景阳), Jian Gou (苟健), Jie Chen (陈劼), Yu Li Huang (黄玉立), Meizhuang Liu (刘美壮), Shuo Sun (孙硕), Yihe Wang (王一贺), Xiaojiang Yu (余小江), Li Wang (王立), Yuan Ping Feng (冯元平), Yi-Yang Sun (孙宜阳), Andrew T.S. Wee (黄载贤), Wei Chen (陈伟)

背景介绍

笼目 (kagome) 晶格的特定晶体结构使其在凝聚态物理中受到广泛关注：如量子自旋液体，平带物理，关联电子拓扑相等等。尽管研究人员们在3d过渡金属笼目晶格块体材料中观察到平带，关联电子相，拓扑物态等有趣现象；然而，作为一个二维体系，单层笼目晶格的制备仍具挑战。制备具有拓扑边缘态的单层笼目晶格材料对于关联拓扑物态的研究和低能耗拓扑电路的研发具有重要意义。

图1.FeGe纳米薄片的原子结构。(a)FeGe晶体结构示意图。(b, c) STM形貌图和高度轮廓。(d) 高分辨nc-AFM形貌图。(e) 子晶格力谱曲线。

文章亮点

近日，新加坡国立大学陈伟教授在ACS Nano上发表了单层笼目晶格纳米薄片的外延生长和原位扫描探针表征研究。基于扫描隧道显微术/扫描隧道谱 (STM/STS) 和非接触式原子力显微术 (nc-AFM)，研究团队观测到单层FeGe笼目晶格中的紧凑局域电子态 (compact localized states)；并结合第一性原理计算阐述了单层FeGe中的拓扑量子物态。

图2.在单层FeGe纳米薄片上观察到拓扑边界态。(a)扫描隧道谱曲线。(b)扫描隧道谱线谱图。(c)恒高微分电导分布图。

图3.单层FeGe中观测到紧凑局域电子态。

研究发现，单层FeGe笼目晶格具有拓扑非平庸电子物态和紧凑局域电子态。能带反转和自旋轨道耦合作用共同导致样品边缘存在受拓扑保护的边界态。笼目晶格中的电子破坏性干涉导致动量空间中出现平带，其对应的电子在实空间局域在笼目晶格的六边形中，也即紧凑局域电子态。

图4.单层FeGe中的能带结构以及拓扑边界态计算。

总结/展望

研究团队在Ag(111)金属衬底上制备出单层FeGe笼目晶格，阐明了二维笼目晶格制备的可行性，并研究了其电子结构和拓扑物态。本文报道的具有非平庸拓扑物态和紧凑局域电子态的单层笼目晶格材料为研究低维关联拓扑物态提供了一个新思路。

相关论文发表在ACS Nano上，新加坡国立大学博士研究生段嗣盛，尤景阳博士，苟健博士为研究文章的第一作者，苟健博士，Andrew T. S. Wee教授，陈伟教授为通讯作者。

通讯作者信息：

苟健博士

苟健，新加坡国立大学物理系博士后研究员，2018年毕业于中科院物理所获得凝聚态物理博士学位, 随后先后加入新加坡国立大学Andrew Wee教授和陈伟教授课题组从事博士后研究工作至今。他的研究兴趣主要聚焦在低维量子材料的原位制备调控和性质表征方面，涉及领域有二维拓扑、铁电、铁磁、类石墨烯二维材料等研究方向。特别是近年来深入的探究了把qplus AFM与STM有机相结合的原位多信使高分辨表征手段，并在实际运用到二维材料的研究方面取得优良的成果。

个人谷歌学术:

https://scholar.google.com.sg/citations?user=5c0MXogAAAAJ&hl=zh-CN&oi=ao

Andrew T. S. Wee 教授

Andrew T. S. Wee, 现为新加坡国立大学物理系教授，表面科学实验室主任。Andrew T. S. Wee教授长期从事石墨烯和二维材料的扫描隧道显微镜和同步辐射领域的研究。入选新加坡物理学会会士、英国物理学会会士、新加坡科学院院士以及亚太材料学院院士。

课题组网站：

https://phyweb.physics.nus.edu.sg/~surface/

陈伟教授

陈伟，现为新加坡国立大学化学系和物理系教授，并兼任天津大学-新加坡国立大学福州联合学院新方院长。主要关注于低维分子量子结构/二维材料的界面问题，及其在二维材料光电功能器件，有机光电功能器件等方面的应用，以及环境和能源相关的表界面纳米催化。在国际顶级期刊上已发表超过350篇论文，引用超过28,000次，入选2018，2019 ，2021科睿唯安高被引科学家。陈伟教授于2009年获得新加坡物理协会纳米技术奖， 2012年新加坡青年科学家奖，2016年新加坡国立大学院长讲席教授， 2020年新加坡化学会Mitsui Chemicals-SNIC Industry Award.

课题组网站：

https://www.chenweilab.com/

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ACS Nano 2022, ASAP

Publication Date:November 11, 2022

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c08895