研究背景
具有自发极化的铁电材料(ferroelectrics)和具有导电边缘态的拓扑绝缘体(topological insulator)是两种被广泛关注和研究的功能材料。然而，由于拓扑绝缘体的带隙往往非常小，而铁电材料大都是宽带隙的绝缘体，使得铁电性和能带的拓扑性难以在同一个材料中共存。此外，目前已发现的少量铁电拓扑材料大都为 I 型铁电拓扑材料，即其铁电性和能带拓扑性的起源不同，导致耦合较弱，难以实现协同调控。我们注意到，近年来新发现的二维铁电材料具有较小的带隙，并且可以通过堆叠的方式进一步调节带隙的大小，这为实现强耦合的二维铁电拓扑绝缘体提供了潜在的可能性。
论文详情
基于上述背景，借鉴多铁材料的分类，西湖大学刘仕课题组提出了 II 型二维铁电拓扑绝缘体 (type-II ferroelectric topological insulator) 的设计方法。该方法基于拓扑平庸的二维铁电材料构建双层异质结构，利用铁电材料中由面外自发极化产生的内建电场来控制能带反转 (band inversion)，进而调控能带的拓扑性，实现铁电性与能带拓扑性的共存与强耦合。西湖大学李牮课题组通过有效哈密顿量方法，证明能带反转强度的不断增强能够实现平庸-非平庸-平庸的连续拓扑相变。刘仕课题组通过第一性原理计算，在 In2Se3/In2S3 等一系列双层异质结构中，观察到了能带拓扑和极化方向的高度耦合：通过改变铁电材料的极化方向，直接控制量子自旋霍尔效应的开关。进一步，基于 II 型二维铁电拓扑绝缘体设计了如畴壁量子电路和拓扑忆阻器等器件，为实现非易失多态量子自旋霍尔效应存储和可调拓扑超导等提供了新思路。该工作得到了国家自然科学基金、西湖大学交叉学科初创中心以及西湖教育基金会的支持。
研究亮点
1. 根据设计原理，II 型二维铁电拓扑绝缘体的构建不依赖于拓扑非平庸材料，可直接由拓扑平庸的二维铁电材料堆叠构成。
▲ | 图 1. II型二维铁电拓扑绝缘体的设计原理。a 和 b 分别表示了单层和双层二维铁电材料中由退极化场导致的能带弯曲(band bending)。c 和 d 展示极化翻转对能带反转的调控，其中 c 为潜在的拓扑非平庸态，d 为未发生能带反转的拓扑平庸态。 |
2. 不同于铁电性与拓扑性具有不同起源的传统 I 型铁电拓扑绝缘体，在 II 型二维铁电拓扑绝缘体中，铁电性与能带拓扑性高度耦合，可通过控制极化方向实现对量子霍尔态的开关。
▲ | 图 2. 由第一性原理计算得到的 In2Se3/In2S3 异质结构对应的能带结构与导电边缘态。UU (up-up)和 DD (down-down) 代表不同的极化取向，UU 对应拓扑平庸态，DD 对应拓扑非平庸态。 |
3. 基于 II 型二维铁电拓扑绝缘体的特性，设计了二维铁电拓扑忆阻器，为实现信息非易失多态存储提供了新思路。
▲ | 图 3. 由异质双层组成的非易失性拓扑忆阻器。UU 为拓扑平庸态，DD 为拓扑非平庸态。对于包含 N 层 II 型二维铁电拓扑绝缘体的堆叠结构，边缘电导可以写入 0 到 2Ne2/h。 |
论文信息
On-demand quantum spin Hall insulators controlled by two-dimensional ferroelectricity
Jiawei Huang, Xu Duan, Sunam Jeon, Youngkuk Kim, Jian Zhou, Jian Li*（李牮，西湖大学） and Shi Liu*（刘仕，西湖大学）
Materials Horizons. , 2022
http://doi.org/10.1039/D2MH00334A
西湖大学-浙江大学联合培养第一作者
2018 年于武汉大学物理科学与技术学院获得学士学位，现为西湖大学-浙江大学联合培养博士研究生，主要研究方向为多尺度凝聚态材料模拟计算。
西湖大学通讯作者
西湖大学特聘研究员。2009 年本科毕业于中国科学技术大学，2015 年博士毕业于美国宾夕法尼亚大学，博士后工作于华盛顿卡内基研究所和美国陆军研究所。2019 年 6 月入职西湖大学组建“多尺度材料模拟实验室”，综合运用第一性原理密度泛函理论计算、大尺度分子动力学和机器学习，研究功能氧化物和量子材料的构性关系。
西湖大学共同通讯作者
西湖大学特聘研究员。2008 年于香港大学获得博士学位，之后于瑞士日内瓦大学和美国普林斯顿大学先后从事博士后研究，2017 年入职西湖大学。李牮博士主要研究拓扑超导和马约拉纳零能模体系，以及介观量子输运和无序拓扑体系。
