[论文解读] Experimental evidence of large-gap two-dimensional topological insulator on the surface of ZrTe5

Rui Wu, J. Z.+13 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2016

Topological Materials and Phenomena参考文献 19被引用 70

一句话总结

本研究提供了实验证据，表明ZrTe5的顶层单层具有约100 meV的较大带隙，其在台阶边缘处表现出具有有限态密度的拓扑保护边缘态。通过扫描隧道显微镜/谱学与角分辨光电子能谱相结合，并辅以从头算计算，作者证明该表面是一种大带隙二维拓扑绝缘体，适用于高温拓扑电子学应用。

ABSTRACT

Two-dimensional (2D) topological insulators (TIs) with a large bulk band-gap are promising for experimental studies of the quantum spin Hall effect and for spintronic device applications. Despite considerable theoretical efforts in predicting large-gap 2D TI candidates, only few of them have been experimentally verified. Here, by combining scanning tunneling microscopy/spectroscopy and angle-resolved photoemission spectroscopy, we reveal that the top monolayer of ZrTe5 crystals hosts a large band gap of ~100 meV on the surface and a finite constant density-of-states within the gap at the step edge. Our first-principles calculations confirm the topologically nontrivial nature of the edge states. These results demonstrate that the top monolayer of ZrTe5 crystals is a large-gap 2D TI suitable for topotronic applications at high temperature.

研究动机与目标

• 识别并实验验证一种具有大体带隙、适用于高温应用的二维拓扑绝缘体。
• 研究ZrTe5表面的电子结构，特别关注其顶层单层。
• 确定ZrTe5中的表面态是否具有非平庸拓扑性质并支持受保护的边缘模式。
• 通过识别具有大能隙和强拓扑保护特性的材料体系，建立拓扑电子器件的平台。

提出的方法

• 利用扫描隧道显微镜与谱学（STM/STS）探测ZrTe5表面及台阶边缘处的局域电子结构，并测量带隙。
• 采用角分辨光电子能谱（ARPES）绘制体相与表面电子能带结构。
• 进行从头算计算，以确认观测到的表面态的拓扑性质及能带反转机制。
• 将实验数据与理论模型进行对比，验证大带隙及拓扑保护边缘态的存在。
• 重点分析能隙区域内的态密度，特别是表面台阶边缘处，以检测拓扑边缘模式的特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 ZrTe5的顶层单层是否表现出与二维拓扑绝缘体一致的大带隙？
• RQ2 ZrTe5中的表面态是否具有非平庸拓扑性质，表现为受保护的边缘模式？
• RQ3 ZrTe5表面态的带隙大小是多少？是否足够大以支持室温运行？
• RQ4 表面台阶边缘处的电子性质与平面上相比有何不同？是否表现出拓扑边缘态的特征？
• RQ5 从头算计算能否再现观测到的电子结构，并确认表面态的拓扑性质？

主要发现

• 通过扫描隧道谱学测得，ZrTe5顶层单层具有约100 meV的大带隙。
• 在表面台阶边缘处观察到带隙内具有有限的态密度，表明存在拓扑保护的边缘态。
• 角分辨光电子能谱证实了表面态具有大带隙和自旋-动量锁定的色散关系。
• 从头算计算验证了由于能带反转和强自旋-轨道耦合，该表面态具有非平庸拓扑性质。
• 实验与理论结果的结合证实，ZrTe5表面是一种大带隙二维拓扑绝缘体。