Nature：石墨烯納米帶的拓撲能帶工程
2018-08-17 13:02:05
作者：本網(wǎng)整理 來源：材料人
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【引言】
拓撲絕緣體作為一種新興材料，其在保持材料內(nèi)部絕緣的同時，又具有高度穩(wěn)固的能隙表面或界面態(tài)。雖然該領域的研究大多數(shù)集中在二維或三維拓撲絕緣體和相關拓撲晶態(tài)絕緣體上，但最近理論研究已經(jīng)預測石墨烯納米帶（GNRs）中存在一維對稱保護拓撲相。在拓撲相的探索中，GNRs代表了一類很有前景的支架材料，因為若在橫向上限制石墨烯的某些邊緣結(jié)構(gòu)，其就會轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽w。通過小分子前體的自組裝和合理設計，自下而上的GNRs合成可以對幾乎所有結(jié)構(gòu)參數(shù)進行精確的原子級調(diào)控，這使得通過摻雜劑介導電子親和力的變化來探索GNRs能隙與寬度關系和帶隙工程成為可能。不同類型的GNR前體沿著縱軸融合為I型和II型異質(zhì)結(jié)設計和合成的基礎，當異質(zhì)結(jié)界面交叉時，GNR電子結(jié)構(gòu)會從一種GNR類型連續(xù)變化到另一種GNR型。因此，這些橫向限制的GNRs，其拓撲相由寬度、邊緣形狀和終止晶體學晶胞所決定，用Z2常量來表征（即0或1的指數(shù)，表示兩個拓撲類，類似于準一維孤子系統(tǒng)）。拓撲分明的GNRs界面具有不同Z2值，可以預測其半填充電子態(tài)和能隙內(nèi)的局部電子態(tài)，因而在原則上，其可用作材料工程中的工具。
【成果簡介】
近日，美國加州大學伯克利分校的Steven G. Louie教授、Michael F. Crommie教授和Felix R. Fischer教授（共通通訊作者）在國際著名期刊Nature發(fā)表了一篇題為“Topological band engineering of grapheme nanoribbons”的研究性文章。在該文中，研究人員報道了拓撲工程修飾GNR超晶格的合理設計和實驗實現(xiàn)，從而產(chǎn)生了難以獲得的電子結(jié)構(gòu)；此外，該策略還能將新的終態(tài)直接設計到一維GNR超晶格的末端。原子級精確的拓撲GNR超晶格由Au（111）表面上的分子前體在超高真空條件下合成，并通過低溫掃描隧道顯微鏡（STM）和光譜學得以表征。實驗結(jié)果和第一性原理計算表明，該GNR超晶格的邊界能帶結(jié)構(gòu)（滿帶和空帶）完全由相鄰拓撲界面態(tài)之間的耦合所定義，這種非凡的一維拓撲相為基于電子拓撲學一維材料的能帶精確調(diào)控提供了一種途徑，同時其也是一種有前景的一維量子自旋物理學研究平臺。
【圖文導讀】
圖一、在Au（111）上自下而上合成7/9-AGNR超晶格
（a） 7-和9-AGNR特定末端的Z2常量及在7/9-AGNR異質(zhì)結(jié)界面處Z2常量的示意圖；
（b） 分子前體1的合成（p-TsOH是對甲苯磺酸，AcOH是乙酸，Ac2O是乙酸酐）；
（c） 分子前體1逐步熱誘導7/9-AGNR超晶格的面上生長示意圖；
（d） 沉積在Au（111）面上分子前體1的STM形貌；
（e, f） 200℃退火后，Au（111）面上的聚合物島
（e）；300℃退火后，Au（111）面上完全成環(huán)的7/9-AGNR超晶格；
（g） 7/9-AGNR超晶格的鍵合分辨STM圖像，其顯示了異質(zhì)結(jié)界面的鍵合結(jié)構(gòu)； 所有STM數(shù)據(jù)均在T = 4K時測得。
圖二、7/9-AGNR超晶格的電子結(jié)構(gòu)
（a） 紅色（藍色）曲線表示7-AGNR（9-AGNR）區(qū)段上收集到的dI / dV點光譜數(shù)據(jù)（針尖位置由加號標記），黑色虛線則表示裸露的Au（111）上收集到的點譜數(shù)據(jù)。插圖為7/9-AGNR超晶格的STM形貌圖像；
（b） 圖a中A、B、C和D峰對應電壓下獲得的恒定電流dI / dV圖；
（c） 利用圖d中7/9-AGNR超晶格VB、OTB、UTB和CB能量，通過DFT計算得到的LDOS圖；
（d） 通過DFT計算得到的7/9-AGNR超晶格的DOS圖。
圖三、7/9-AGNR超晶格終態(tài)的電子結(jié)構(gòu)
（a） 最常見的7/9-AGNR超晶格終端的鍵合分辨STM圖像；
（b） 紅色（綠色、藍色）曲線分別表示在7/9-AGNR超晶格體內(nèi)和不同末端收集到的dI/dV點光譜數(shù)據(jù)，黑色虛線則表示在裸露的Au（111）面上收集的點光譜數(shù)據(jù)；
（c） 圖b中STS的針尖位置對應的STM形貌（用加號標記），實驗dI/dV圖與不同終態(tài)相應的理論LDOS對比：分別為與終態(tài)3、UTB、終態(tài)2、OTB和終態(tài)1。
圖四、7/9-AGNR超晶格中的拓撲能帶
（a） 7/9-AGNR超晶格的線框圖示，圖上為單個孤立的界面態(tài)的疊加電荷密度， 箭頭表示通過不同AGNR段耦合界面態(tài)的跳躍幅度；
（b） OTB最大值和UTB最小值的DFT-LDA波函數(shù)由相鄰界面態(tài)波函數(shù)的成鍵和反鍵線性組合而成，其中波函數(shù)繪制在GNR原子平面上方1?的平面中，以證明鍵合對稱性；
（c）黑色實線表示了7/9-AGNR超晶格獨立的DFT-LDA能帶結(jié)構(gòu)，而紅色虛線則表示與DFT OTB和UTB的緊密結(jié)合。
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