一個(gè)由加州大學(xué)河濱分校和華盛頓大學(xué)科學(xué)家組成的研究小組首次直接拍攝了單層鎢二碲化鎢(WTe2)的“邊緣傳導(dǎo)”圖像。鎢二碲化鎢(WTe2)是一種新發(fā)現(xiàn)的二維拓?fù)浣^緣體和量子材料。這項(xiàng)研究使得利用這種邊緣傳導(dǎo)特性來(lái)制造更節(jié)能的電子設(shè)備成為可能。在典型的導(dǎo)體中，電流到處流動(dòng)。另一方面，絕緣體不容易導(dǎo)電。
拓?fù)浣^緣子是一種特殊的材料，其內(nèi)部作為絕緣子工作，但由于其拓?fù)湫再|(zhì)，保證了這種材料的邊界是導(dǎo)電的，從而產(chǎn)生了一種稱為“拓?fù)溥吘墝?dǎo)電”的特性。拓?fù)鋵W(xué)是對(duì)幾何圖形或固體性質(zhì)的數(shù)學(xué)研究，這些性質(zhì)不會(huì)因拉伸或彎曲而改變。將這一概念應(yīng)用到電子材料中會(huì)發(fā)現(xiàn)許多有趣的現(xiàn)象，包括拓?fù)溥吘墏鲗?dǎo)。
博科園-科學(xué)科普：拓?fù)溥吘墏鲗?dǎo)通道的工作原理就像電子的高速公路，它允許電子在幾乎沒(méi)有阻力的情況下運(yùn)動(dòng)。此外，由于邊緣通道可能非常窄，電子設(shè)備可以進(jìn)一步小型化，研究結(jié)果發(fā)表在2019年2月8的《科學(xué)進(jìn)展》上。領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的UCR物理學(xué)和天文學(xué)助理教授崔永濤(音譯)說(shuō)：
一些材料已經(jīng)被證明是三維拓?fù)浣^緣體，但二維拓?fù)浣^緣體非常罕見(jiàn)，最近的一些實(shí)驗(yàn)證實(shí)，單層鎢二碲化鎢(WTe2)是第一種原子薄的二維拓?fù)浣^緣體。對(duì)于三維拓?fù)浣^緣體，導(dǎo)電出現(xiàn)在其表面。對(duì)于像二維薄板一樣的材料，這種導(dǎo)電特性僅僅存在于薄板的邊緣。實(shí)驗(yàn)室使用了一種名為微波阻抗顯微鏡(MIM)的新實(shí)驗(yàn)技術(shù)，直接成像單層鎢二碲化鎢(WTe2)邊緣的傳導(dǎo)。
單層鎢二碲化鎢(WTe2)薄片角附近的典型MIM圖像，明亮的鋸齒形線表明在單層鎢二碲化鎢(WTe2)邊緣有精確的傳導(dǎo)特征。圖片：Cui lab, UC Riverside
結(jié)果明確地證實(shí)了這種有前途的材料的邊緣傳導(dǎo)。盡管鎢二碲化鎢(WTe2)已經(jīng)存在了幾十年，但由于其奇異的物理和電子特性是在拓?fù)湮锢韺W(xué)中發(fā)現(xiàn)的，人們對(duì)這種材料的興趣在最近幾年才得到提升。鎢二碲化鎢(WTe2)通過(guò)范德華相互作用堆積在一起，很容易剝離成薄的二維石墨烯狀薄片。
除了單層WTe2的邊緣導(dǎo)電外，還發(fā)現(xiàn)，由于缺陷(如裂紋)，導(dǎo)電通道可以延伸到材料內(nèi)部。觀測(cè)結(jié)果為通過(guò)機(jī)械或化學(xué)手段控制和設(shè)計(jì)這種傳導(dǎo)通道指明了新方法。崔在華盛頓大學(xué)的合作者準(zhǔn)備了單層鎢二碲化鎢(WTe2)樣品。在UCR實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了MIM測(cè)量，包括向尖銳的金屬尖端發(fā)送微波電信號(hào)，并將尖端定位在單層鎢二碲化鎢(WTe2)的表面附近。
研究人員崔永濤是加州大學(xué)河濱分校物理學(xué)和天文學(xué)助理教授。圖片：I. Pittalwala, UC Riverside
通過(guò)分析樣品反射回來(lái)的微波信號(hào)，研究人員可以確定直接位于針尖下方的樣品區(qū)域是否導(dǎo)電。掃描了整個(gè)樣品的尖端，并直接繪制了局部電導(dǎo)率，在低溫下進(jìn)行了所有的測(cè)量，這是單層鎢二碲化鎢(WTe2)顯示其拓?fù)涮匦运匦璧?。單層鎢二碲化鎢(WTe2)的拓?fù)湫再|(zhì)可以作為實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算基本運(yùn)算平臺(tái)。
實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)在探索操縱單層鎢二碲化鎢(WTe2)邊緣傳導(dǎo)通道和拓?fù)湮锢淼男路椒āＱ芯繄F(tuán)隊(duì)正在研究將鎢二碲化鎢(WTe2)單層與其他2d材料疊加是否會(huì)改變其拓?fù)湫再|(zhì)，還使用機(jī)械和化學(xué)方法來(lái)創(chuàng)建傳導(dǎo)通道網(wǎng)絡(luò)。使用的MIM技術(shù)提供了一種強(qiáng)大的手段來(lái)表征拓?fù)洳牧?如單層鎢二碲化鎢(WTe2))中的傳導(dǎo)通道。
測(cè)量設(shè)置的說(shuō)明，單層鎢二碲化鎢(WTe2)薄片位于SiO2/Si基板上，并被薄的六角形氮化硼薄片(hBN)覆蓋，以防止其降解。圖片：Cui lab, UC Riverside
博科園-科學(xué)科普｜研究/來(lái)自: 加州大學(xué)河濱分校
參考期刊文獻(xiàn):《Science Advances》
DOI: 10.1126/sciadv.aat8799
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