背景介绍
磁性拓扑绝缘体因其独特的物理性质和潜在应用而受到广泛关注。这类材料能够展现出量子反常霍尔（QAH）效应，其特点是在没有外磁场的条件下具有拓扑保护的量子化霍尔电阻和零纵向电阻。该效应首次在磁性掺杂的拓扑绝缘体中被实验观察到。然而这种材料只有在极低温度下才能展现QAH效应，这限制了其实际应用。虽然近期人们在多个不同的材料体系中观测到QAH效应，但其可实现温度仍然较低，具有QAH效应的材料种类仍然非常有限。当前人们迫切需要制备出更多种类的新型量子反常霍尔绝缘体材料，而直接合成具有QAH效应的新型材料是一项充满挑战的事情。此外，如果能通过对拓扑平庸的材料进行微小的晶格调整以实现QAH效应，无疑将为开发新的量子反常霍尔绝缘体提供一条新的路径。
成果简介
中国科学院大学林晓-路红亮研究团队利用分子束外延（MBE）技术在Cu(111)基底上生长出一种新型二维钛硒化合物单层材料，并利用低能电子衍射（LEED）、扫描隧道显微镜（STM）对该材料进行了详细表征。中国科学院高能物理研究所王嘉鸥课题组进行了X射线光电子能谱（XPS）表征。中国人民大学季威课题组进行了第一性原理计算。研究结果显示这种新型二维材料是具有“砖块”结构的Ti3Se4单层。计算结果表明，生长在Cu(111)基底上的Ti3Se4单层具有潜在的QAH效应，而自由状态下的Ti3Se4单层则表现为普通的半导体性质。这一发现表明，通过微小的晶格调整可以诱导Ti3Se4发生从半导体到QAH绝缘体的转变。这项工作为寻找新的二维量子反常霍尔绝缘体材料提供了有价值的参考。
图文导读
图1. 单层Ti3Se4的STM图像、原子结构模型和模拟的STM图像。
图2. 理论计算揭示单层Ti3Se4经过晶格微小调整由半导体向QAH绝缘体的转变。
作者简介
宋志朋，成海霞，共同第一作者。
路红亮，共同通讯作者，中国科学院大学物理科学学院副教授。2004年本科毕业于吉林大学，2011年在中国科学院物理研究所获得博士学位，曾在美国休斯顿大学做访问学者，北京大学做博士后。2013年7月加入中国科学院大学。主要从事新型低维材料及结构的制备和物性研究。在Physical Review Letters、Nano Letters等期刊发表论文40多篇，主持2项国自然项目/课题，作为骨干参与科技部国家重点研发计划、中国科学院先导项目等多个重点研究项目。
季威，共同通讯作者，中国人民大学吴玉章讲席教授，物理学院教授。国家高层次人才奖励计划青年学者、特聘教授入选者，入选爱思唯尔中国高被引学者和科睿唯安全球高被引科学家。长期致力于发展和应用独特的第一性原理计算方法，紧密围绕未来信息功能材料及器件和原子级制造技术中的表界面问题，开展相关基础科学研究。发表了包括 Science、Science Advances、Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Chemistry等在内的220余篇论文，被引超过23000次（Google Scholar）。目前担任中国材料研究学会计算材料学委员会委员，《Science Bulletin》、《科学通报》、《Chinese Physics B》、《物理学报》、《2D Materials》和《Frontiers of Physics》编委等。
林晓，共同通讯作者，中国科学院大学物理科学学院教授，国家杰出青年基金获得者。主要从事纳米量子结构及其物性调控、新型二维原子晶体材料及其器件的探索等方面的基础研究，在Nat. Mater.、 PRL、 JACS、Adv. Mater.、Nano Lett.等学术期刊发表研究论文百余篇。
文章信息
Song Z, Cheng H, Cao Y, et al. Exploring potential for semiconductor to quantum anomalous Hall insulator transitions via substrate-induced structural modifications in Ti3Se4 monolayers. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907123.
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