中大新聞網(wǎng)訊（通訊員孫勇）拓?fù)浣^緣體因其特殊的能帶結(jié)構(gòu)和拓?fù)浔Ｗo(hù)的表面電子態(tài)，成為新奇量子特性基礎(chǔ)研究與器件構(gòu)建的重要平臺(tái)。其中，鉍基二元及合金材料（如Bi2TexSe3-x）具有時(shí)間反演對稱性保護(hù)的表面態(tài)，由Z2拓?fù)洳蛔兞棵枋觯茄芯孔顬樯钊氲膹?qiáng)拓?fù)潴w系之一。然而，該類材料通常為中心反演對稱結(jié)構(gòu)，阻礙了在拓?fù)浯烹娦?yīng)、非線性光電子動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。近日，材料科學(xué)與工程學(xué)院王成新教授、孫勇副教授團(tuán)隊(duì)通過氣相范德華外延在云母襯底上成功合成二維Janus Bi2TeSe2納米片，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對稱性破缺可集成二次諧波(SHG)、鐵電性和體光伏效應(yīng)等重要性質(zhì)，進(jìn)一步拓展該類材料的功能維度，帶來新器件工作范式，有望實(shí)現(xiàn)多功能非線性磁電器件以及新一代自旋電子器件。
圖1. Janus Bi2TeSe2納米片的表征以及SHG測試。(a) 顯微圖像；(b) HAADF-STEM圖像；（c）原子級EDS mapping; (d) SHG原理圖；(e) SHG mapping; (f) 極化相關(guān)SHG.
理論上，Bi2TeSe2存在中心反演對稱及非對稱兩種典型晶體結(jié)構(gòu)，當(dāng)前學(xué)界對Bi2TeSe2的實(shí)驗(yàn)研究雖有進(jìn)展，但多為中心對稱結(jié)構(gòu)的合成與表征，非中心對稱相的單晶結(jié)構(gòu)尚未成功制備，物性研究亟待推進(jìn)，成為限制該材料體系發(fā)展的瓶頸之一。該二維Janus Bi2TeSe2納米片與傳統(tǒng)的中心對稱材料不同，該結(jié)構(gòu)中的Te原子層并非位于單層的中心位置，而是暴露在單層外側(cè)，形成了Se-Bi-Se-Bi-Te五層Janus結(jié)構(gòu)（圖1a-c）。由于中心反演對稱性破缺，成功在該材料中觀測到極化相關(guān)的二次諧波生成（圖1d-f）。此外，輸運(yùn)測量顯示出弱反局域化效應(yīng)（WAL），證明了材料的強(qiáng)軌道自旋耦合以及拓?fù)浔砻鎽B(tài)。角度依賴磁阻曲線表明納米片中二維拓?fù)浔砻嬷鲗?dǎo)的輸運(yùn)特性（圖2）。
圖2. Janus Bi2TeSe2納米片的輸運(yùn)測試。(a) Hall bar器件；(b) 線性變溫電阻；（c）變溫磁阻曲線； (d)WAL效應(yīng)；(e, f) 磁阻的角度依賴性.
與其它策略實(shí)現(xiàn)對稱性破卻不同（如少層結(jié)構(gòu)、表面效應(yīng)、應(yīng)變工程等），非中心對稱晶體結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)帶來的相關(guān)性質(zhì)為材料的本征特性，為開展深入基礎(chǔ)研究提供了穩(wěn)定的材料平臺(tái)。相關(guān)成果以“Unusual Janus Bi2TeSe2 Topological Insulators Displaying Second-Harmonic Generation, Linear-in-Temperature Resistivity and Weak Antilocalization”為題發(fā)表于ACS旗艦刊物Journal of the American Chemical Society（https://doi.org/10.1021/jacs.4c03176）。材料科學(xué)與工程學(xué)院2020級直博生鄒曉彬?yàn)樵撜撐牡谝蛔髡撸瑢O勇副教授和王成新教授為共同通訊作者，學(xué)院2023級博士生苑軒豪和李巖副教授在理論計(jì)算方面給予了重要支撐。該研究工作受到國家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金的大力支持。
