ACS Nano 石墨烯覆盖的铋烯能否保住量子自旋霍尔边缘态

导语

在碳化硅衬底上外延生长的铋烯是一种单元素二维拓扑绝缘体，其体内存在较大带隙，带隙内则承载受对称性保护的一维金属边缘态，因而被视为可在较高温度下工作的量子自旋霍尔体系；此前对铋烯边缘态的研究几乎都基于裸露的铋烯，而把它插入零层石墨烯与碳化硅界面、让石墨烯充当覆盖层之后，边缘态是否还保留下来一直未有定论，因为石墨烯覆盖层会改变介电环境、电子屏蔽与界面耦合，进而影响边缘态本身。

巴克莱理工大学、开姆尼茨工业大学等单位的合作团队在碳化硅上把铋插层到零层石墨烯之下并经氢化处理，得到边界规整的铋烯岛；他们用低温扫描隧道显微镜与谱学、斑点剖面低能电子衍射、角分辨光电子能谱以及密度泛函理论计算确认金属边缘态来自下方的铋烯层。该成果以“Protected Metallic Edge States in a Graphene-Capped Quantum Spin Hall System”为题发表在 ACS Nano 期刊，第一作者是 Huu Thoai Ngo，通讯作者是 Christoph Tegenkamp。

研究背景

二维材料为维度依赖的电子结构、对称性破缺以及非平庸拓扑等量子现象提供了平台；其中二维拓扑绝缘体在体内带隙内承载受对称性保护的螺旋金属边缘态，由此产生量子自旋霍尔效应，这些边缘通道支持无耗散输运且对非磁性无序稳健，在自旋电子学与拓扑量子计算中具有潜在应用。量子自旋霍尔效应最初由 Kane 与 Mele 在含自旋轨道耦合的石墨烯中提出，此后在 HgTe/CdTe 量子阱、InAs/GaSb 量子阱、第四主族单层（硅烯、锗烯、锡烯）、过渡金属硫属化合物（1T'-WTe2、1T'-MoS2）以及 Bi4Br2I2、ZrTe5 等层状化合物中相继实现。

与这些体系相比，铋烯是一种单元素量子自旋霍尔体系，带隙较大，即便在较高温度下也能保持边缘态电导；它可在氢钝化的碳化硅衬底上以原子精度外延生长，提供了一条可扩展且与互补金属氧化物半导体工艺兼容的器件集成路线。当铋以插层方式进入零层石墨烯与碳化硅界面时，铋烯还可获得环境防护，然而这一材料体系在原子尺度上的结构性质此前尚未被充分研究。铋烯作为量子自旋霍尔绝缘体的核心特征是体内带隙内的一维金属边缘态，尽管这些边缘态在裸露的铋烯与氢钝化碳化硅体系中已被广泛研究，其在插层于零层石墨烯之下的铋烯中是否保留电子性质始终悬而未决，而石墨烯覆盖层会改变介电环境、电子屏蔽与界面耦合，从而影响边缘态，因此回答这一问题对评估石墨烯覆盖铋烯中拓扑边缘态的稳健性不可或缺。

制备方法与样品信息

零层石墨烯通过聚合物辅助升华生长在碳化硅(0001)衬底上，经初步脱气与表征后，铋沉积在基础压强低于 1×10-6 帕的超高真空腔中由保持 550 摄氏度 120 分钟的克努森池蒸发完成；样品转入分析腔（基础压强低于 2×10-8 帕）后，在 450 摄氏度退火 30 分钟实现铋插层，样品温度由发射率为 0.9 的红外高温计监测。β 相转变通过在 950 摄氏度保温 10 分钟使铋稀释完成，铋烯的生成则通过把样品置于无接触红外加热系统中、在 850 毫巴氢气流量 0.9 标准升每分钟下于 550 摄氏度退火 90 分钟实现。结构表征方面，斑点剖面低能电子衍射在 167 电子伏下显示碳化硅、石墨烯与铋烯的特征衍射斑以及石墨烯相对碳化硅的摩尔斑，线扫描给出铋烯的(√3×√3)R30 重构的一级与高级斑，以及指示零层石墨烯完全剥离并转变为准自由单层石墨烯的钟形背景；低温扫描隧道显微镜在 4.5 开尔文、+1 伏与 450 皮安下成像，显示平均横向尺寸约 24×22 平方纳米的铋烯岛；能带结构由角分辨光电子能谱与密度泛函理论计算共同确定。

关键结果：边缘态的分离与验证

1.石墨烯覆盖层只与铋烯弱耦合，体态结构基本保留。密度泛函理论给出氢钝化碳化硅上铋烯价带靠近费米处主要由 Bi px/py 轨道构成，经铋强自旋轨道耦合与衬底引入的界面反演对称性破缺（Rashba 效应）劈裂成 S1 与 S2 两支，在 K 点能量间隔 0.37 电子伏；Γ 点导带极小给出 0.54 电子伏的间接带隙，S1 略高于费米能级来自衬底诱导的 p 型掺杂；把石墨烯层纳入异质结构计算后，石墨烯呈 n 型掺杂，对应来自插层铋烯层乃至碳化硅衬底的电荷转移，说明层间为弱范德华相互作用。扫描隧道谱在岛内测得的谱线给出 +0.1 伏处的上价带态 S1 与 S1 之上近似恒定的态密度，+0.5 电子伏附近的起始对应铋烯体导带，与计算一致；20 条谱线拼接的色图中 S1 与 S2 态清晰可辨，劈裂能 0.34 电子伏与计算吻合，−0.16 伏处的下凹对应铋烯上方 n 型石墨烯的狄拉克点。

2.带隙内的金属边缘态在覆盖层下依然出现。扫描隧道显微镜在原子尺度同时分辨出铋烯岛界面处的两套晶格，岛边界对应插层铋烯的扶手椅型终止，石墨烯覆盖层跨越该边界保持连续，边缘处露出交替的铋二聚体；插层铋烯岛呈现约 73% 的扶手椅型边缘与约 27% 的锯齿型边缘，与碳化硅台阶无关，指向内禀的能量偏好，扶手椅边缘周期 9.24 埃与预期晶格匹配一致。岛内谱线呈近似恒定的态密度平台，指示铋烯体带隙；而岛边界谱线呈 V 形并带隙两侧谱重增强、零偏压处存在有限态密度，反映边缘态的金属性质。沿岛直径以 1 纳米间隔采集的态密度强度图显示铋烯带边能量向边缘逐渐下降，对应能带弯曲，费米能级附近与导带边两处积分强度都向边缘增大。

3.沿扶手椅边缘的一维通道显示电子关联特征。在 +0.5 伏下沿扶手椅边缘采集的电导图显示边缘处隧穿电导显著增强且空间局域，与岛内以及氢插层零层石墨烯区域被抑制的电导形成鲜明对照；沿边采集的谱线呈 V 形、零偏压处有有限偏移，并保留石墨烯的声子诱导带隙特征，说明金属边缘态沿扶手椅边缘连续分布。代表性低能谱线中，除被粉色虚线标出的声子诱导带隙外，费米能级处还出现一个窄偏压范围内的下凹，即零偏压反常；该特征随隧穿电流基本不变，排除了针尖诱导充电的库仑阻塞机理，其幂律型态密度压低也与 Efros-Shklovskii 赝隙预期的指数压低不符；用 α 等于 0.41 的幂律对谱线走向拟合可合理描述有限偏压电导，与关联一维金属的 Tomonaga-Luttinger 液体模型给出的曲线一致，支持一维边缘通道中电子关联效应在石墨烯覆盖下依然保留。

图1铋在零层石墨烯下的插层与氢化。（a）铋插层零层石墨烯/碳化硅的斑点剖面低能电子衍射图样，能量 167 电子伏，标出石墨烯（黑圈）、铋的(√3×√3)R30（绿圈）、碳化硅（红圈）、(6√3×6√3)R30（紫圈）与(6×6)（蓝圈）周期性。（b）沿两个晶体学方向的线剖面，衍射实验均在 300 开尔文进行。（c）大尺度扫描隧道显微镜形貌图（+1 伏，450 皮安，4.5 开尔文），显示被氢插层零层石墨烯区域包围的插层铋烯岛（EG/Bi/SiC），插图为原子分辨的氢插层零层石墨烯图像，跨岛线扫描给出约 2.1 埃的表观高度。（d）铋烯与氢插层零层石墨烯在碳化硅上的球棍模型，上为俯视、下为侧视。

图2铋烯的结构与边缘。（a、b）不同偏压下测得的插层铋烯岛的扫描隧道显微镜形貌图与快速傅里叶变换图像，Vb 分别为 +0.4 伏与 +2 伏，插图给出绿色矩形区域的放大图像，显示石墨烯与铋烯的蜂窝晶格。（c、d）插层铋烯岛的扫描隧道显微镜形貌图与电流图，显示铋烯的扶手椅型终止（+1.6 伏，450 皮安），石墨烯（黑）与铋蜂窝晶格（绿）的示意叠加于电流图上。（e）小区域扫描隧道显微镜形貌图，显示两个插层铋烯岛（EG/Bi/SiC）（+3 伏，250 皮安），插图为扶手椅边缘的放大图像，温度 4.5 开尔文。

图3铋烯的体电子结构。（a）铋烯/氢钝化碳化硅能带结构的密度泛函理论计算，间接带隙记为 Eg，Δs 为价带 S1 与 S2 两带间的能量间隔。（b）插层铋烯岛（EG/Bi/SiC）的扫描隧道显微镜形貌图，周围为氢插层零层石墨烯区域（EG/H/SiC）。（c）图 b 中绿十字与灰十字两处的隧穿 dI/dV 谱，橙色切线用于确定导带边，狄拉克点记为 VD。（d）岛内部的平均 dI/dV 谱，叠加于 20 条连续 dI/dV 曲线拼成的彩色图上，S1 与 S2 分别为价带顶与次高能级，温度 4.5 开尔文。

图4铋烯岛的尺寸与边界效应。（a）三个不同横向尺寸插层铋烯岛内部归一化 dI/dV 谱，岛 1（22×21 平方纳米）、岛 2（33×32 平方纳米）与岛 3（55×32 平方纳米）分别取 Vb 等于 0.8 伏、It 等于 500、450、370 皮安。（b）在黑色十字标记位置采集的依赖设定点电流的扫描隧道谱。（c）插层铋烯岛的扫描隧道显微镜形貌图。（d）沿图 c 中灰色虚线箭头采集的 dI/dV 谱图，声子诱导带隙记为 Δph，白色虚线为能带弯曲的辅助线。（e）从图 c 中彩色圆圈标记位置提取的代表性 dI/dV 谱。（f）体带隙内与声子诱导带隙内两个偏压区间的积分 dI/dV 信号，红色曲线由幂律函数拟合，温度 4.5 开尔文。

图5边缘态的谱学。（a）插层铋烯岛边界的扫描隧道显微镜形貌图。（b）图 a 中红圈与蓝圈两处采集的隧穿 dI/dV 谱。（c、d）图 a 中绿色虚线矩形区域的扫描隧道显微镜形貌图与电导图，白色与蓝色箭头分别指示岛内部与 EG/H/SiC 区域。（e）沿图 c 中标记方向采集的堆叠 dI/dV 谱。（f）对应的扫描隧道谱图，插图为费米能级处小幅态密度下凹的放大图像。（g）高分辨边缘谱（绿）同时显示石墨烯的声子诱导带隙 Δph（粉色虚线）与铋烯边缘态特征，后者可用 Tomonaga-Luttinger 液体模型（红）与幂律函数（灰，α 等于 0.41）描述，温度 4.5 开尔文。

机制与应用

机制层面，石墨烯覆盖层与下方铋烯之间为弱范德华相互作用，仅作为化学惰性的保护层，因此铋烯的本征体带隙与边缘态结构得以保留；岛内的近似恒定态密度平台对应体带隙，而向边缘的带边能量下降来自能带弯曲，边缘处费米能级附近的有限态密度则来自金属边缘通道与体带弯曲的叠加。铋烯岛呈现扶手椅型边缘为主的内禀偏好，扶手椅型终止本身会影响所关联拓扑边缘态的电子结构；沿边的零偏压反常既不来自库仑阻塞，也不符合 Efros-Shklovskii 赝隙的指数压低，其幂律型态密度压低与 Tomonaga-Luttinger 液体模型一致，说明一维边缘通道中的电子关联效应在覆盖层下依然存在。

边界层面，边缘处增强的态密度本身并不构成拓扑保护的直接证据，因为零偏压反常可由多种机制产生，且本体系中两个谱学特征在费米能级处重叠，使零偏压反常的微观来源难以可靠区分；本工作因而以定性归属为主，参照此前对无覆盖铋烯岛的分析，那里可及的更大能量窗口与变温测量提供了更稳健的分析基础。尽管如此，规整的扶手椅型终止、与计算一致的体带隙以及特征性的金属边缘态共同构成的证据链，与铋烯的拓扑边缘态相符；石墨烯在保护铋烯层免受环境影响的同时保留了其本征拓扑边缘态，为在一维拓扑边缘通道中研究量子输运与多体物理提供了平台，而边缘态拓扑保护的直接验证以及零偏压反常来源的严格区分仍需后续研究。

结语

通过在碳化硅上把铋插层到零层石墨烯之下并经氢化处理，得到边界规整、以扶手椅型终止为主的铋烯岛，并用低温扫描隧道显微镜与谱学、斑点剖面低能电子衍射、角分辨光电子能谱以及密度泛函理论计算确认其结构与电子性质；岛内体带隙约 0.5 电子伏，与计算一致，向边缘出现能带弯曲与带隙内边缘态，零偏压处存在有限电导，沿扶手椅边缘的态密度增强连续分布，费米能级处的下凹与 Tomonaga-Luttinger 液体模型吻合，说明一维边缘通道的电子关联特征在石墨烯覆盖下依然保留。石墨烯覆盖层与铋烯弱耦合，在提供环境防护的同时保住了本征拓扑边缘态。边缘态是否真正受拓扑保护、零偏压异常来自一维关联还是其他机制，仍有待更直接的实验证据。

论文信息

- 英文题名：Protected Metallic Edge States in a Graphene-Capped Quantum Spin Hall System

- 作者：Huu Thoai Ngo, Zamin Mamiyev, Niclas Tilgner, Andres David Peña Unigarro, Sibylle Gemming, Thomas Seyller, Christoph Tegenkamp

- 期刊：ACS Nano

- 发表日期：2026-09-30

- DOI：10.1021/acsnano.6c14197

信息来源：二维材料说