科学家用有前景的2D材料对导电边缘进行成像

加州大学河滨分校和华盛顿大学的研究小组首次在单层钨二碲化物或WTe 2中直接成像“边缘传导” ，这是一种新发现的二维拓扑绝缘体和量子材料。

该研究使得利用这种边缘传导特征来构建更节能的电子设备成为可能。

在典型的导体中，电流流向任何地方。另一方面，绝缘体不容易导电。在拓扑绝缘体中，一种特殊类型的材料，内部作为绝缘体，但由于其拓扑性质，这些材料的边界保证是导电的，从而产生称为“拓扑边缘传导”的特征。

拓扑是对几何图形或实体的属性的数学研究，其通过拉伸或弯曲而不变。将这一概念应用于电子材料可以发现许多有趣的现象，包括拓扑边缘传导。像高速公路一样工作电子，拓扑边缘传导通道允许电子以很小的阻力传播。此外，因为边缘通道可能非常窄，所以电子设备可以进一步小型化。

研究结果今天出现在Science Advances上。

“有几种材料被证明是三维拓扑绝缘体，”领导这项研究的UCR物理和天文学助理教授Yongtao Cui说。“但是二维拓扑绝缘体是罕见的。最近的几个实验确定单层WTe 2是第一个原子级薄的二维拓扑绝缘体。”

崔解释说，对于三维拓扑绝缘体，其表面会出现传导; 对于2-D片状材料，这种导电特征仅在片材的边缘处。

Cui的实验室使用一种称为微波阻抗显微镜(MIM)的新型实验技术来直接成像单层WTe 2边缘的传导。

“我们的研究结果明确证实了这种有前途的材料的边缘传导，”崔说。

虽然已知WTe 2存在数十年，但由于其使用拓扑物理学发现的奇特物理和电子特性，仅在过去几年中对这种材料的兴趣得到了提升。WTe 2层通过范德华相互作用堆叠在一起，并且可以容易地剥离成薄的2-D石墨烯片。

“除了在单层WTe 2的边缘处传导外，我们还发现导电通道可以延伸到材料的内部，由于缺陷 - 例如裂缝，”Cui说。“我们的观察指出了通过机械或化学手段控制和设计这种传导通道的新方法。”

崔在华盛顿大学的合作者准备了单层WTe 2样品。在UCR，他的实验室进行了MIM测量，其中包括将微波电信号发送到尖锐的金属尖端，并将尖端定位在单层WTe 2的表面附近。通过解析样品反弹的微波信号，研究人员可以确定尖端正下方的样品区域是否导电。

“我们在整个样本中扫描了尖端并直接绘制了局部电导率，”崔说。“我们在低温下进行了所有测量，单层WTe 2需要表现出拓扑特性。单层WTe 2的拓扑特性可以作为实现量子计算基本操作的平台。”

Cui的实验室已经在探索单层WTe 2中操纵边缘传导通道和拓扑物理学的新方法。

“我们正在研究将单层WTe 2与其他二维材料堆叠是否会改变其拓扑性质，”他说。“我们还使用机械和化学方法来建立传导通道网络。我们使用的MIM技术提供了一种强有力的方法来表征拓扑材料中的传导通道，如单层WTe 2。 ”