【科学综述】单元素类石墨烯二维拓扑材料的研究进展

原创低温物理学报蔻享学术 2022-07-02

更多精彩视频登陆网站

www.koushare.com

单元素类石墨烯二维拓扑材料的研究进展

图 | 吴金蓉

图 | 赵爱迪

作者 | 吴金蓉，赵爱迪

单位 | 中国科学技术大学

摘要

除了石墨烯外，很多主族元素也可以形成类似石墨烯的稳定单层结构，并且具有丰富的物理化学性质及广阔的应用前景。其中在物理学中最引人注目的是理论预言在这些材料中预言存在的二维拓扑物性。单元素类石墨烯二维材料已经经历了十余年的研究进程，目前已经理论发现和实验制备出了若干新型二维拓扑材料，成为当前凝聚态物理和新材料领域重要研究方向之一。在这篇评述中，我们将详细介绍这一领域的研究历程、研究思路，以及最新研究进展，并对其进一步的研究方向做出展望。

引言

单元素二维材料的研究，发源自石墨烯的研究热潮。石墨烯本身是具有蜂窝状原子结构的单层纯平二维材料^[1]。它的发现打破了之前普遍认为的单层二维晶体材料无法稳定存在的预言，极大地改变了人们对低维材料的认识和理解。石墨烯本身的独特结构和能带结构使其具有十分优异的物理学性质，包括狄拉克电子行为、超高的迁移率、量子霍尔效应等，催生了非常多的新奇物性和广阔的器件应用潜力^[2,3]。在石墨烯发现不久，人们就设想制备出由其他元素构成的类似于石墨烯结构的二维材料，并期待在其中发现具有与石墨烯类似的物理学性质。这些二维材料可以参考石墨烯的命名方式而称为X烯，其中X主要包括IV族和V族元素，以及少数可以形成稳定二维结构的其他元素如硼和碲^[4]。这其中，二维拓扑材料是尤其受到关注的重要探索方向。早在2005年，石墨烯刚被发现不久就被预言其可能具有由于自旋轨道耦合（SOC）作用产生的量子自旋霍尔（QSH）效应^[5,6]。存在量子自旋霍尔效应的二维材料即量子自旋霍尔绝缘体其体内具有由于自旋轨道耦合打开的拓扑能隙，而边界则存在受拓扑保护的导电通道，可以实现无耗散电子输运，然而由于碳元素非常轻，其自旋轨道耦合作用微弱，其打开的拓扑能隙仅在微电子伏量级，对应于极低的实现温度^[7]，不仅难以观测，更难以用于实际的器件应用。如果要构筑能够在液氮温度甚至室温下工作的量子自旋霍尔器件，需要在费米面附近打开毫电子伏甚至电子伏量级的拓扑能隙。这就需要发现具有很强自旋轨道耦合效应的重元素构成的二维材料。这对于物理学来说，是梦寐以求的理想材料之一，试想不需要磁场和磁掺杂即可以实现室温拓扑物性，而且其中如果同时存在超导，则更有可能实现拓扑超导和发现马约拉纳费米子，这样的材料体系的重要性不言而喻。因此，寻找单元素二维拓扑材料成为当前凝聚态物理学和材料科学的共同的重要研究方向。近十年来，随着理论和实验的共同发展，目前已经理论预言和实验制备出了若干新型的单元素类石墨烯二维拓扑材料，成为低维材料与物理研究中一块崭新而充满希望的版图。这些元素包括且不限于：硅烯（silicene）、锗烯（germanene）、锡烯（stanene）、铅烯（plumbene）、磷烯（phosphorene）、砷烯（arsenene）、锑烯（antimonene）、铋烯（bismuthene）等，还包括它们的氢化或卤化材料。在这篇报告中，我们将对单元素类石墨烯二维拓扑材料（主要为IV族和V族元素）的研究历程、研究思路，以及最新研究进展进行较为详细的介绍，并对其进一步的研究方向做出展望。我们首先从理论的发展开始回顾。