▲第一作者：冯海凤，刘晨;通讯作者：杜轶，陈岚，周思 通讯单位：UOW, Beihang, IOP Physics, DLUT论文DOI：10.1021/acs.nanolett.9b05316 研究者利用分子束外延方法在Al(100)表面成功制备了一种具有方晶格的单层二维锡薄膜（Sn√2 × √2）。理论计算和实验表征揭示了这种Sn√2 × √2和最表面的Al原子层形成了具有翘曲结构的二维方晶格。扫描隧道显微镜（STM）和低能电子衍射实验揭示了这种Sn-Al方晶格具有Lieb晶格的特点，并具有面外翘曲特征。
在固体材料中，晶格的几何结构和对称性对于电子的传输起到调制的作用。由于介电屏蔽效果的减弱和量子局限效应的增强，二维材料往往蕴藏着很多有趣的强关联电子体系和许多对应的新奇的物理性质。作为一个非常重要的方形阻挫晶格，Lieb晶格中存在受拓扑保性护的平带（夹在两个狄拉克锥之间）这一特殊的能带结构。这种特殊的能带结构由于有望实现分数量子霍尔效应，超导和若干种拓扑态等奇异的电子性质得到了非常广泛的关注。然而由于二维固体晶格，尤其是二维方形晶格往往不能稳定的存在，Lieb晶格目前只在一些人造分子体系、光子波导阵列和冷原子体系中得到了实现。而在固体材料中，Lieb晶格的缺席无疑是探索它的性质和开发其应用的最大障碍。近些年，以类石墨烯的二维Xenes为代表的单元素的层状二维单原子层的成功合成，说明了通过分子束外延生长方法可以在金属衬底上获得具有翘曲（buckled）结构的的亚稳定二维材料。因此，具有Lieb晶格的二维材料有望通过选择合适的元素和金属衬底，并通过外延生长的方法获得。基于这种想法，将半层异质元素外延生长在具有BCC结构的金属衬底的（100）晶面，就可能获得具有翘曲结构的Lieb晶格。异质元素原子需要以√2 × √2 的结构占据金属衬底（100）面上的空位（hollow site），并且在衬底表面不形成团簇并不与衬底金属原子形成置换。研究者利用分子束外延方法在Al(100)表面成功制备了一种具有方晶格的单层二维锡薄膜（Sn√2 × √2）。理论计算（图1）和实验表征（图2）揭示了这种Sn√2 × √2和最表面的Al原子层形成了具有翘曲结构的二维方晶格。扫描隧道显微镜（STM）和低能电子衍射实验揭示了这种Sn-Al方晶格具有Lieb晶格的特点，并具有面外翘曲特征。其Lieb晶格的稳定性得益于Al和Sn不混溶特性和Sn-Al的特殊相互作用。第一性原理计算验证了Sn原子和最表层Al原子可以在具有翘曲结构的条件下形成Lieb结构。Sn和表面Al原子的适当相互作用和电荷转移对于稳定这种独特的方形晶格结构至关重要。同时，其结构稳定性和不同翘曲度有直接关系，具有1.6 Å的翘曲高度的体系最稳定。角分辨光电子能谱（ARPES）（图3）揭示了此翘曲Lieb晶格和Al衬底具有截然不同的电子结构。理论计算表明（图1），铝的 pxy和锡的 pz电子态可以在翘曲Lieb晶格中构成受镜面反射对称性保护的部分破缺节点线环（partially broken nodal line (NL) loop）电子结构。在自旋轨道耦合（SOC）效应下可以展示出Z2=1的拓扑绝缘态。▲图1. (a),(b)Sn和最表层Al构成的翘曲Lieb晶格的示意图; (c)不同翘曲高度对应的结合能和NL能系的大小; (d)-(e)翘曲Lieb晶格的能带结构以及NL的三维结构。
▲图2. (a)-(c)不同覆盖率的Sn在Al(100)的STM图; (d)0.5 ML Sn的结构为√2 × √2; (e) LEED结果展示出√2 × √2结构，与STM结构一致。
▲图3.翘曲Lieb晶格的ARPES结果: (a),(b)翘曲Lieb晶格对体系费米面的影响; (c),(d)不同的APRES截面; (e)Γ点到M点的不能能量的电子结构演化; (f)翘曲Lieb晶格在Al(100)上的电子结构的计算模拟。
这个工作为构建以Lieb晶格为代表的新奇二维量子材料，尤其是受对称性保护的拓扑电子体系，提供了新的思路。本工作是由澳大利亚伍伦贡大学、北京航空航天大学、中科院物理所、大连理工大学、中科院高能物理所和南开大学联合团队共同完成，第一作者为澳大利亚伍伦贡大学冯海凤博士和高能物理所刘晨博士，通讯作者为杜轶教授、陈岚教授、周思教授。
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