物理所预言新型二维大能隙拓扑绝缘体

　　众所周知，二维拓扑绝缘体的体内是绝缘的，而其边界是无能隙的金属导电态。且这种金属态中存在自旋－动量的锁定关系，相反自旋的电子向相反的方向运动，由于受到时间反演不变性的保护，它们之间的散射是禁止的，因此是自旋输运的理想“双向车道”高速公路，可用于新型低能耗高性能自旋电子器件。当前实验证实的二维拓扑绝缘体有HgTe/CdTe和InAs/GaSb等的量子阱。但它们的样品制备需要精准的调控，不利于规模化生产；体能隙小，需要在低温下应用。这些都阻碍了二维拓扑绝缘体的实际应用。一个好的二维拓扑绝缘体必须：（1）具有层状结构，易于得到化学稳定的二维系统；（2）体能隙大，在室温下就能观测到量子自旋霍尔效应，可用于日常电子器件。

　　2014年，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）的凝聚态理论与材料计算实验室翁红明副研究员和戴希、方忠研究员通过广泛的材料数据库搜索并结合材料计算，成功预言了含有过渡金属Zr和Hf的碲化物ZrTe₅和HfTe₅，确认它们的单层是大能隙的二维拓扑绝缘体。它们体态的直接能隙有0.4 eV，间接能隙有0.1eV，均高于室温。其层间耦合强度跟石墨相似，因此可以通过简单的机械剥离方法制备单层二维材料，适合大规模生产。他们的计算结果还表明，其拓扑特性在相当大范围的晶格应变（压缩10%到拉伸20%）下保持不变，可以适用于不同的衬底和应用环境。这些都表明ZrTe₅和HfTe₅的单层是理想的二维拓扑绝缘体材料。另外，由于是过渡金属化合物，不同的金属元素替代掺杂比较容易，提供了良好的拓扑物性调控手段。譬如，磁性掺杂可实现量子化反常霍尔效应等。

　　他们进一步计算表明，三维的ZrTe₅和HfTe₅处于三维强、弱拓扑绝缘体相变点附近，热胀冷缩或是微小的压力都可能导致强、弱拓扑绝缘态的转变，并引起表面态的变化。因此在实验上观测到这样的量子现象是非常有趣的。

　　相关研究得到国家自然科学基金委员会和科技部有关基金的支持。这一研究成果已发表在Phys. Rev. X4, 011002 (2014)上。

ZrTe₅和HfTe₅的三维层状晶体结构及其单层。

ZrTe₅和HfTe₅的层间耦合跟石墨一样弱，可用类似的简单的机械剥离方法制备二维材料。

在较大的晶格应变下(-10%~20%)，ZrTe₅保持大能隙，且其拓扑性质也保持稳定。

三维ZrTe₅处于三维强、弱拓扑绝缘态的转变点附近。