中山大学孙勇副教授、王成新教授团队在Janus拓扑绝缘体领域取得重要进展

（通讯员孙勇）拓扑绝缘体因其特殊的能带结构和拓扑保护的表面电子态，成为新奇量子特性基础研究与器件构建的重要平台。其中，铋基二元及合金材料（如Bi2TexSe3-x）具有时间反演对称性保护的表面态，由Z2拓扑不变量描述，是研究最为深入的强拓扑体系之一。然而，该类材料通常为中心反演对称结构，阻碍了在拓扑磁电效应、非线性光电子动力学领域的潜在应用。近日，材料科学与工程学院王成新教授、孙勇副教授团队通过气相范德华外延在云母衬底上成功合成二维Janus Bi2TeSe2纳米片，通过结构设计实现对称性破缺可集成二次谐波(SHG)、铁电性和体光伏效应等重要性质，进一步拓展该类材料的功能维度，带来新器件工作范式，有望实现多功能非线性磁电器件以及新一代自旋电子器件。

图1. Janus Bi2TeSe2纳米片的表征以及SHG测试。(a) 显微图像；(b) HAADF-STEM图像；（c）原子级EDS mapping; (d) SHG原理图；(e) SHG mapping; (f) 极化相关SHG.

理论上，Bi2TeSe2存在中心反演对称及非对称两种典型晶体结构，当前学界对Bi2TeSe2的实验研究虽有进展，但多为中心对称结构的合成与表征，非中心对称相的单晶结构尚未成功制备，物性研究亟待推进，成为限制该材料体系发展的瓶颈之一。该二维Janus Bi2TeSe2纳米片与传统的中心对称材料不同，该结构中的Te原子层并非位于单层的中心位置，而是暴露在单层外侧，形成了Se-Bi-Se-Bi-Te五层Janus结构（图1a-c）。由于中心反演对称性破缺，成功在该材料中观测到极化相关的二次谐波生成（图1d-f）。此外，输运测量显示出弱反局域化效应（WAL），证明了材料的强轨道自旋耦合以及拓扑表面态。角度依赖磁阻曲线表明纳米片中二维拓扑表面主导的输运特性（图2）。

图2. Janus Bi2TeSe2纳米片的输运测试。(a) Hall bar器件；(b) 线性变温电阻；（c）变温磁阻曲线； (d)WAL效应；(e, f) 磁阻的角度依赖性.

与其它策略实现对称性破却不同（如少层结构、表面效应、应变工程等），非中心对称晶体结构的实现带来的相关性质为材料的本征特性，为开展深入基础研究提供了稳定的材料平台。相关成果以“Unusual Janus Bi2TeSe2 Topological Insulators Displaying Second-Harmonic Generation, Linear-in-Temperature Resistivity and Weak Antilocalization”为题发表于ACS旗舰刊物Journal of the American Chemical Society（https://doi.org/10.1021/jacs.4c03176）。材料科学与工程学院2020级直博生邹晓彬为该论文第一作者，孙勇副教授和王成新教授为共同通讯作者，学院2023级博士生苑轩豪和李岩副教授在理论计算方面给予了重要支撑。该研究工作受到国家自然科学基金、广东省自然科学基金的大力支持。

论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.4c03176