2024年2月19日，Nat. Commun.在线发表了德国维尔茨堡大学Ralph Claessen课题组的研究论文，题目为《Achieving environmental stability in an atomically thin quantum spin Hall insulator via graphene intercalation》。
半导体表面的原子单层代表了一类新兴的二维极限功能量子材料，从超导体和莫特绝缘体到铁电体和量子自旋霍尔绝缘体（QSHI）。铟烯（Indenene）是一种具有~120 meV能隙的三角形铟单层，也是一种QSHI，在SiC(0001)上的微米级外延生长使其在技术上具有相关性。然而，由于在空气中拓扑特性的不稳定性，其在室温自旋电子学中的适用性受到了挑战。在非原位加工和器件制造过程中，有必要制定一种策略来保护铟烯的拓扑性质。
在此研究中，作者设计了一种原子薄的保护层，通过插层将准独立的石墨烯作为保护片放置在QSHI单层上，使这些量子材料在空气中运行。研究表明铟烯插层到外延石墨烯提供了有效的保护，免受氧化环境的影响，同时保持了完整的拓扑特性。石墨烯对环境条件的承受力提供了有效的抗氧化保护，同时它使插层材料不受影响。虽然石墨烯帽的导电性质可能仍然会干扰有意义的边缘输运测量，但其对单层QSHI的有效保护无疑为纳米器件结构的制造铺平了道路，例如，用于场效应栅控，或用于光学或红外实验，如非真空环境下的拉曼和朗道能级光谱。
从一个角度来看，六方氮化硼（h-BN）可能是一个有趣的替代方案，可作为大间隙的惰性覆盖层；然而，高效沉积和可扩展性仍然是一个亟待解决的严峻挑战。这项研究方法开辟了一个丰富的非原位实验机会领域，为真实的器件制造和拓扑保护的边缘通道提供了单层量子自旋霍尔绝缘体。
图1 石墨烯插层铟烯在拓扑上是非平庸的并对大气有承受力
图2 插层铟烯的结构
图3 原始和石墨烯覆盖铟烯的能带结构
图4 插层铟烯的QSHI特征
【论文链接】
Schmitt, C., Erhardt, J., Eck, P. et al. Achieving environmental stability in an atomically thin quantum spin Hall insulator via graphene intercalation. Nat. Commun., 2024, 15, 1486. https://doi.org/10.1038/s41467-024-45816-9
【其他相关文献】
[1] Bauernfeind, M., Erhardt, J., Eck, P. et al. Design and realization of topological Dirac fermions on a triangular lattice. Nat. Commun., 2021, 12, 5396. https://doi.org/10.1038/s41467-021-25627-y
[2] Li, C., Zhao, YF., Vera, A. et al. Proximity-induced superconductivity in epitaxial topological insulator/graphene/gallium heterostructures. Nat. Mater., 2023, 22, 570–575. https://doi.org/10.1038/s41563-023-01478-4
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