眾所周知，二維拓?fù)浣^緣體的體內(nèi)是絕緣的，而其邊界是無(wú)能隙的金屬導(dǎo)電態(tài)。且這種金屬態(tài)中存在自旋－動(dòng)量的鎖定關(guān)系，相反自旋的電子向相反的方向運(yùn)動(dòng)，由于受到時(shí)間反演不變性的保護(hù)，它們之間的散射是禁止的，因此是自旋輸運(yùn)的理想“雙向車(chē)道”高速公路，可用于新型低能耗高性能自旋電子器件。當(dāng)前實(shí)驗(yàn)證實(shí)的二維拓?fù)浣^緣體有HgTe/CdTe和InAs/GaSb等的量子阱。但它們的樣品制備需要精準(zhǔn)的調(diào)控，不利于規(guī)�；a(chǎn)；體能隙小，需要在低溫下應(yīng)用。這些都阻礙了二維拓?fù)浣^緣體的實(shí)際應(yīng)用。一個(gè)好的二維拓?fù)浣^緣體必須：（1）具有層狀結(jié)構(gòu)，易于得到化學(xué)穩(wěn)定的二維系統(tǒng)；（2）體能隙大，在室溫下就能觀測(cè)到量子自旋霍爾效應(yīng)，可用于日常電子器件。
2014年，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）的凝聚態(tài)理論與材料計(jì)算實(shí)驗(yàn)室翁紅明副研究員和戴希、方忠研究員通過(guò)廣泛的材料數(shù)據(jù)庫(kù)搜索并結(jié)合材料計(jì)算，成功預(yù)言了含有過(guò)渡金屬Zr和Hf的碲化物ZrTe5和HfTe5，確認(rèn)它們的單層是大能隙的二維拓?fù)浣^緣體。它們體態(tài)的直接能隙有0.4 eV，間接能隙有0.1eV，均高于室溫。其層間耦合強(qiáng)度跟石墨相似，因此可以通過(guò)簡(jiǎn)單的機(jī)械剝離方法制備單層二維材料，適合大規(guī)模生產(chǎn)。他們的計(jì)算結(jié)果還表明，其拓?fù)涮匦栽谙喈?dāng)大范圍的晶格應(yīng)變（壓縮10%到拉伸20%）下保持不變，可以適用于不同的襯底和應(yīng)用環(huán)境。這些都表明ZrTe5和HfTe5的單層是理想的二維拓?fù)浣^緣體材料。另外，由于是過(guò)渡金屬化合物，不同的金屬元素替代摻雜比較容易，提供了良好的拓?fù)湮镄哉{(diào)控手段。譬如，磁性摻雜可實(shí)現(xiàn)量子化反常霍爾效應(yīng)等。
他們進(jìn)一步計(jì)算表明，三維的ZrTe5和HfTe5處于三維強(qiáng)、弱拓?fù)浣^緣體相變點(diǎn)附近，熱脹冷縮或是微小的壓力都可能導(dǎo)致強(qiáng)、弱拓?fù)浣^緣態(tài)的轉(zhuǎn)變，并引起表面態(tài)的變化。因此在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到這樣的量子現(xiàn)象是非常有趣的。
相關(guān)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和科技部有關(guān)基金的支持。這一研究成果已發(fā)表在Phys. Rev. X4, 011002 (2014)上。
ZrTe5和HfTe5的三維層狀晶體結(jié)構(gòu)及其單層。
ZrTe5和HfTe5的層間耦合跟石墨一樣弱，可用類(lèi)似的簡(jiǎn)單的機(jī)械剝離方法制備二維材料。
在較大的晶格應(yīng)變下(-10%~20%)，ZrTe5保持大能隙，且其拓?fù)湫再|(zhì)也保持穩(wěn)定。
三維ZrTe5處于三維強(qiáng)、弱拓?fù)浣^緣態(tài)的轉(zhuǎn)變點(diǎn)附近。
