中大新聞網訊（通訊員孫勇）拓撲絕緣體因其特殊的能帶結構和拓撲保護的表面電子態(tài)，成為新奇量子特性基礎研究與器件構建的重要平臺。其中，鉍基二元及合金材料（如Bi2TexSe3-x）具有時間反演對稱性保護的表面態(tài)，由Z2拓撲不變量描述，是研究最為深入的強拓撲體系之一。然而，該類材料通常為中心反演對稱結構，阻礙了在拓撲磁電效應、非線性光電子動力學領域的潛在應用。近日，材料科學與工程學院王成新教授、孫勇副教授團隊通過氣相范德華外延在云母襯底上成功合成二維Janus Bi2TeSe2納米片，通過結構設計實現(xiàn)對稱性破缺可集成二次諧波(SHG)、鐵電性和體光伏效應等重要性質，進一步拓展該類材料的功能維度，帶來新器件工作范式，有望實現(xiàn)多功能非線性磁電器件以及新一代自旋電子器件。
圖1. Janus Bi2TeSe2納米片的表征以及SHG測試。(a) 顯微圖像；(b) HAADF-STEM圖像；（c）原子級EDS mapping; (d) SHG原理圖；(e) SHG mapping; (f) 極化相關SHG.
理論上，Bi2TeSe2存在中心反演對稱及非對稱兩種典型晶體結構，當前學界對Bi2TeSe2的實驗研究雖有進展，但多為中心對稱結構的合成與表征，非中心對稱相的單晶結構尚未成功制備，物性研究亟待推進，成為限制該材料體系發(fā)展的瓶頸之一。該二維Janus Bi2TeSe2納米片與傳統(tǒng)的中心對稱材料不同，該結構中的Te原子層并非位于單層的中心位置，而是暴露在單層外側，形成了Se-Bi-Se-Bi-Te五層Janus結構（圖1a-c）。由于中心反演對稱性破缺，成功在該材料中觀測到極化相關的二次諧波生成（圖1d-f）。此外，輸運測量顯示出弱反局域化效應（WAL），證明了材料的強軌道自旋耦合以及拓撲表面態(tài)。角度依賴磁阻曲線表明納米片中二維拓撲表面主導的輸運特性（圖2）。
圖2. Janus Bi2TeSe2納米片的輸運測試。(a) Hall bar器件；(b) 線性變溫電阻；（c）變溫磁阻曲線； (d)WAL效應；(e, f) 磁阻的角度依賴性.
與其它策略實現(xiàn)對稱性破卻不同（如少層結構、表面效應、應變工程等），非中心對稱晶體結構的實現(xiàn)帶來的相關性質為材料的本征特性，為開展深入基礎研究提供了穩(wěn)定的材料平臺。相關成果以“Unusual Janus Bi2TeSe2 Topological Insulators Displaying Second-Harmonic Generation, Linear-in-Temperature Resistivity and Weak Antilocalization”為題發(fā)表于ACS旗艦刊物Journal of the American Chemical Society（https://doi.org/10.1021/jacs.4c03176）。材料科學與工程學院2020級直博生鄒曉彬為該論文第一作者，孫勇副教授和王成新教授為共同通訊作者，學院2023級博士生苑軒豪和李巖副教授在理論計算方面給予了重要支撐。該研究工作受到國家自然科學基金、廣東省自然科學基金的大力支持。
