石墨烯，作為二維原子晶體材料的經(jīng)典代表，由于其獨特的電子和物理性質(zhì)，自2004年從其母體石墨中剝離以來，短短幾年間成為舉世矚目的研究熱點，引發(fā)了世界范圍內(nèi)對新型二維晶體材料的探索和研究熱潮。把不同物理性質(zhì)的二維晶體材料疊加，極有可能產(chǎn)生一些新的材料結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，例如，在石墨烯-氮化硼異質(zhì)疊層結(jié)構(gòu)中，觀測到了新的物理性質(zhì)，證實了40多年前的理論預(yù)測（霍夫施塔特蝴蝶（Hofstadter’s butterfly）——描述電子在磁場中運動狀況的絕妙分型圖案）。最近的理論研究表明，通過研究拓撲絕緣體和（s波）超導(dǎo)體的異質(zhì)疊層結(jié)構(gòu)，極有可能觀測到馬約拉納（Majorana）費米粒子，這一粒子有望在拓撲量子計算中形成穩(wěn)定的量子比特，使得高效的拓撲量子計算機成為可能，因此設(shè)計和構(gòu)建這種疊層結(jié)構(gòu)具有非常重要的科學(xué)價值和應(yīng)用前景。針對這方面的研究，高質(zhì)量材料的制備是其關(guān)鍵和基礎(chǔ)，如何獲得這種不同性質(zhì)材料的異質(zhì)疊層結(jié)構(gòu)并實現(xiàn)對其物性的測量，非常具有挑戰(zhàn)性。

　　中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）高鴻鈞研究組多年來一直致力于新型二維晶體材料的制備、物性與應(yīng)用基礎(chǔ)研究，取得了一系列研究成果。近期，該組博士生王裕祺和武旭、研究員王業(yè)亮等成功實現(xiàn)了一種HfTe₃/HfTe₅（超導(dǎo)體-拓撲絕緣體）異質(zhì)薄膜材料的制備，并對其結(jié)構(gòu)和物性進行了研究。在理論分析和計算方面，他們與所內(nèi)翁紅明、戴希和方忠合作；在光電子能譜分析方面，與北京同步輻射中心副研究員王嘉歐等合作。在材料結(jié)構(gòu)分析方面，與所內(nèi)研究員陳根富合作，對陳根富提供的單晶樣品作對比實驗。

　　在實驗方案設(shè)計之初，他們注意到五碲化鉿（HfTe₅）在理論上被預(yù)言為拓撲絕緣體（0.4 eV的能隙(翁紅明、戴希和方忠等，Phys. Rev. X 4, 011002 (2014)）。另外，三碲化鉿（HfTe₃）塊體具有超導(dǎo)性質(zhì)。五碲化鉿和三碲化鉿的結(jié)構(gòu)有相似性，都具有二維層狀構(gòu)型（圖1b，1c），五碲化鉿可看成是三碲化鉿的三棱鏡結(jié)構(gòu)通過鋸齒形的碲鏈連接起來的。三碲化鉿-五碲化鉿異質(zhì)薄膜有望作為一種新型的超導(dǎo)體-拓撲絕緣體薄膜材料，用來研究馬約拉納費米粒子等新奇物理現(xiàn)象。

　　獲得這種異質(zhì)薄膜材料是對其物性進一步研究的必要前提。目前常用制備二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法是剝離塊體材料再轉(zhuǎn)移堆疊，但這種基于微加工工藝的方法增加了制備工藝的復(fù)雜性，且獲得的異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜缺陷增多，界面容易被污染，造成其性能的降低或改變。因此，尋找制備高質(zhì)量三碲化鉿-五碲化鉿異質(zhì)薄膜材料的方法顯得尤為重要。用燒結(jié)的方法可制備出單一相的塊體材料，而原子級厚度的三碲化鉿膜和五碲化鉿異質(zhì)樣品的制備，以前沒有報道。如何實現(xiàn)這種二維薄膜材料，而且實現(xiàn)不同物理性質(zhì)材料（三碲化鉿和五碲化鉿）的疊層結(jié)構(gòu)和物性的測量，需要巧妙的思路。近幾年，該研究組采用分子束外延生長方法制備出了單元素構(gòu)成的大面積高質(zhì)量二維原子晶體材料，例如：石墨烯、硅烯、鍺烯和鉿烯【Adv. Mater. 21, 2777 (2009)；Nano Lett. 13, 685 (2013)；Nano Lett. 13, 4671 (2013)；Adv. Mater. 26, 4820 (2014) 】。對于兩元素或者多元素化合物的外延生長，需要多種束流源，設(shè)備更復(fù)雜，而且元素比例的控制也非常苛刻。該研究組提出把基底元素取代一種束流源，讓基底元素直接參與反應(yīng)，這樣不但可簡化設(shè)備，工藝也更加可控。采用這種技術(shù)，他們已經(jīng)成功制備出了高質(zhì)量半導(dǎo)體性質(zhì)的單層二硒化鉑(PtSe2) 薄膜 【Nano Lett. 15, 4013 (2015)】。并且，他們近期與清華大學(xué)教授周樹云組合作發(fā)現(xiàn)該薄膜還存在由于局域Rashba效應(yīng)導(dǎo)致的自旋鎖定(spin-layer locking)。

　　針對所需的超導(dǎo)體-拓撲絕緣體二維原子晶體材料及其疊層結(jié)構(gòu)，該研究組探索出了一種新的制備方法，成功地獲得了三碲化鉿-五碲化鉿在二維平面內(nèi)擴展的層狀結(jié)構(gòu)。制備過程（圖1）主要包括如下步驟：a） 在真空環(huán)境下，將適量高純度碲蒸發(fā)沉積到過渡金屬鉿基底上；b）在保持碲束流情況下把樣品進行退火處理，使覆蓋在鉿基底表面的碲原子和基底鉿原子發(fā)生相互作用，形成五碲化鉿二維有序晶態(tài)膜；c）在更高溫度把樣品進行退火處理，使位于五碲化鉿的最表面層發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，形成三碲化鉿層。通過控制溫度等實驗參數(shù)，可制備出三碲化鉿-五碲化鉿-金屬鉿這種二維疊層結(jié)構(gòu)。這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的整個形成過程采用多種技術(shù)進行表征和分析，包括原位光電子能譜實驗（XPS, 圖2），掃描隧道顯微鏡/掃描隧道電流微分譜（STM/STS, 圖3和圖4）等。物性測量表明，五碲化鉿有序晶態(tài)膜具有明顯的帶隙（圖3），三碲化鉿層具有超導(dǎo)性質(zhì)（圖5）。

　　該系列工作報道的三碲化鉿-五碲化鉿晶態(tài)等薄膜材料是二維原子晶體異質(zhì)結(jié)的新成員，在未來信息電子學(xué)及器件開發(fā)研究方面具有潛在的應(yīng)用前景。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在《先進材料》（Adv. Mater. 28, 5013(2016)）和《自然-通訊》（Nature Communications 8, 4216 (2017)）上。

　　以上工作得到了科技部、基金委以及中科院相關(guān)項目的資助。

　　文章鏈接：1 2 

    圖1.（a, b, c）三碲化鉿-五碲化鉿異質(zhì)薄膜制備過程示意圖；（d）單層五碲化鉿原子結(jié)構(gòu)、（e）單層三碲化鉿原子結(jié)構(gòu)及（f）所構(gòu)成的疊層結(jié)構(gòu)示意圖。

    圖2. 三碲化鉿-五碲化鉿疊層材料形成過程的原位XPS分析。（a）將沉積有碲顆粒的樣品在不同溫度下退火，500 ℃碲原子和基底鉿原子反應(yīng)，開始形成五碲化鉿膜。（b，c）樣品保持在560 ℃延長退火時間，處于最頂部的五碲化鉿形成三碲化鉿膜，約5分鐘后三碲化鉿與五碲化鉿的比例保持不變。

    圖3. Hf(0001)面上制備的五碲化鉿膜。（a）示意圖: 沉積有碲顆粒的樣品在~500 ℃下退火，基底表面的碲原子和基底鉿原子發(fā)生相互作用，形成五碲化鉿膜。（b，c）原子分辨STM圖像及對應(yīng)的模型。（d）光電子能譜，單晶樣品和薄膜樣品的對比實驗。（e）Hf(0001)面上制備的五碲化鉿的隧道電流微分譜。觀測到的能隙（箭頭所示）揭示了五碲化鉿的絕緣電性。（f）DFT計算的帶隙和厚度的關(guān)系。

    圖4. Hf(0001)面上制備的三碲化鉿-五碲化鉿疊層材料。（a）示意圖: 樣品在560 ℃下退火，使得處于最頂部的五碲化鉿變?yōu)槿诨x膜。（b，c）原子分辨STM圖像及對應(yīng)的模型。（d）制備的三碲化鉿的隧道電流微分譜，沒有能隙。

    圖5. Hf(0001)面上制備的三碲化鉿-五碲化鉿疊層材料的隧道電流微分譜。（a, b）變溫實驗數(shù)據(jù)，（c, d）變磁場實驗數(shù)據(jù)，揭示了三碲化鉿的超導(dǎo)電性。