【研究成果】為半導體產業持續加值的新興材料─二維拓樸絕緣體 新穎材料Bi/Sb-SiC

by Yang-Kuang Chao
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撰稿  /  許芷辰 (科學推展中心特約編輯)


圖1. 自旋電流示意圖。

2016年諾貝爾物理獎頒給物理學家David J. Thouless、J. Michael Kosterlitz和Duncan M. Haldane,以表揚他們在凝聚態物理學中拓樸相變理論研究之貢獻。奠基於此,近十多年間各式拓樸物質相繼在實驗中被製造或預測出來,其中研究二維拓樸絕緣體儼然成為新世代熱門課題。日前國立中山大學莊豐權教授團隊以調控新穎二維材料的拓撲相之論文1獲得了《AAPPS Bulletin》研究亮點之肯定!

二維拓樸絕緣體(2D topological insulators)

「二維材料(two-dimensional material)」是指晶格結構中,垂直方向只由一層分子所組成極為輕薄的材料。「拓樸材料(topological material)」指的是那些電子排列結構具有特殊拓樸性質的材料。2016年諾貝爾物理獎就頒給了將拓樸概念帶入凝聚態物理學的David J. Thouless、J. Michael Kosterlitz和Duncan M. Haldane,可見奠基於此的拓樸材料對世界的貢獻。

二維拓樸絕緣體,也可稱作量子自旋霍爾(quantum spin Hall,簡稱:QSH)絕緣體,其邊界上具有獨特螺旋金屬性邊界態(spin-polarized gapless states),進而形成自旋電流(如圖1)且足以對稱約束反向散射(backscattering),因此不會有能量損耗及自旋訊號的損失。非常適合做為能源傳輸及量子計算電腦裡的自旋訊息傳遞。

其中半導體或是絕緣基板上的二維拓樸絕緣體很適合用在低耗能自旋電子學之應用。但目前二維拓樸絕緣體僅限於小能隙的系統中且只存在於非室溫情況下,故國立中山大學物理系莊豐權教授團隊著手尋找研發新穎的二維拓樸材料,使其在室溫下依然保存拓樸性質。

新一代二維拓撲材料:鉍烯-碳化矽(0001)

為解決現有二維拓樸材料之問題,除了要確保新材料具備拓樸性質之外,還要有著足夠能隙(energy gap或稱band gap,能帶之間的能量差),另外還需能在室溫下與其他光電元件相互搭配,並且找到所搭配之適合的半導體基板。莊教授研究團隊提出以蜂巢結構的單層鉍烯(Bi planar honeycombs)設置在寬能隙碳化矽(SiC)(0001)的基板上(圖2),形成大能隙二維拓撲絕緣體材料。其關鍵是藉由化學鍵結得到的基板效應(substrate effect)。鉍烯藉由跟基板的鍵結而得到兩個額外電子並使費米面平移至較高的能級後,剛好落在自旋軌道耦合造成的能帶反轉處,國立中山大學莊教授團隊的發現可視為在二維拓撲材料設計上的極重要關鍵突破。

圖2. Bi honeycombs放在SiC之上的示意圖。

新穎二維拓樸絕緣材料,預測能隙高達0.56 eV

使用量子力學理論中預測材料性質常用的第一原理計算(first-principles computations),預測出SiC基板上的蜂窩狀Bi/Sb這種新穎的二維拓樸絕緣材料,其能隙高達0.56 eV(圖3)。之後也由德國團隊成功合成出來並刊登於Science期刊2

另外也研究了氫原子只放置在蜂窩平面的單一側或兩側所造成的影響。發現氫化蜂窩表現出zigzag與armchair邊緣的拓樸保護態,在Bi和Sb薄膜中的能隙分别為1.03和0.41 eV。莊教授研究團隊的發現使得此新世代的二維拓樸材料,蜂巢結構的單層鉍烯搭配碳化矽(0001)基板,成為在室溫下應用的明日之星,使這些奈米尺度下的二維非矽材料有機會進入光電材料、自旋電子元件、量子電腦,也期待未來與半導體產業結合,替半導體產業開創未來新篇章。

圖3. bismuthene ribbon放在SiC之上的能帶結構圖。

 


參考文獻

[1] Chia-Hsiu Hsu, Zhi-Quan Huang, Feng-Chuan Chuang, Chien-Cheng Kuo, Yu-Tzu Liu, Hsin Lin and Arun Bansil. The nontrivial electronic structure of Bi/Sb honeycombs on SiC(0001). New Journal of Physics, Volume 17, Issue 2, article id. 025005 (2015). DOI: 10.1088/1367-2630/17/2/025005.

[2] F. Reis, G. Li, L. Dudy, M. Bauernfeind, S. Glass, W. Hanke, R. Thomale, J. Schäfer, R. Claessen. Bismuthene on a SiC substrate: A candidate for a high-temperature quantum spin Hall material. Science. 29 Jun 2017, Vol 357, Issue 6348, pp. 287-290. DOI: 10.1126/science.aai8142

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