二维Ruby晶格材料的实现 | 进展

具有非平庸晶格结构的二维材料中存在丰富的物理特性，这些特性由于受到对称性的保护而非常稳定。自以石墨烯和硅稀为代表的蜂窝晶格在布里渊区的K点存在线性色散狄拉克锥特性被发现以来，众多类石墨烯蜂窝晶格的二维晶线图晶格体系由于极有可能是实现拓扑和平带的良好平台而引起了凝聚态物理学的广泛研究兴趣。这些二维线图晶格包括如Kagome晶格、Lieb晶格、Checkerboard晶格、Ruby晶格等。迄今为止，Kagome晶格、Lieb晶格、Checkerboard晶格等都已有一些实验上实现的报道，但二维Ruby晶格能否在实验上实现还不明确。Ruby晶格能带结构表现为两个特征：在K点处的两个狄拉克锥和在动量空间中沿着M-Г线的两个平带。这些平带来自晶格中布洛赫波函数的几何阻锉，在未来的自旋电子学和量子器件中具有潜在的应用。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心吴克辉团队和合作者利用分子束外延技术在Au(111)表面合成了单层的CuCl1+x纳米结构，结合扫描隧道显微镜（STM）及其能谱（STS）技术、X射线光电子能谱（XPS）对其进行了深入研究，并利用第一性原理计算（DFT），证明了该CuCl1+x单层纳米结构是一个理想的二维Ruby晶格体系。研究表明，CuCl1+x在Au(111)表面形成了一种Cu6Cl8的配位结构，其中Cu原子的排列方式完全符合Ruby晶格结构。STS谱和DFT计算揭示了Cu6Cl8 Ruby晶格位于未占据态3.6eV处的Ruby晶格平带特征峰，以及位于3.7eV处的边界态特征。

图（a）Ruby晶格模型及其特征能带结构。（b）Au(111)表面形成的单层CuCl1+x纳米结构，表现为Ruby晶格。（c-d）Ruby晶格的边缘态。

该工作首次在一个实际材料体系中实现了二维Ruby原子晶格的构建，观察到了Ruby晶格相关的能带特征峰和边缘电子态。为进一步研究Ruby晶格中有趣的电子结构和丰富的物理现象提供了良好的平台。

本工作受到了科技部、国家自然科学基金委和中国科学院的资助。中国科学院物理研究所和松山湖材料实验室联合培养的博士生刘子嘉同学、浙江大学博士生陶圣旦同学为该论文共同第一作者。吴克辉研究员、陆赟豪教授和何小月研究员级工程师为该论文共同通讯作者。相关研究结果以“Realization of Material with an Atomic Ruby Lattice”为题发表在Nano Lett. 24, 11075 − 11081 (2024) (DOI: 10.1021 /acs. nanolett. 4c03236)。

编辑：姬子隰

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