物理学院在拓扑材料$\alpha$-$\mathrm{Bi}_4\mathrm{Br}_4$的输运物性研究方面取得进展

2021年11月09日

$\alpha$-$\mathrm{Bi}_4\mathrm{Br}_4$具有典型的准一维结构，可以看做是一维无限长分子链通过弱的范德瓦尔斯作用耦合而成。这种结构有利于通过机械剥离方法制备一维纳米带或者纳米线。目前已有一些研究组报道了$\alpha$-$\mathrm{Bi}_4\mathrm{Br}_4$拓扑性质，但低维$\alpha$-$\mathrm{Bi}_4\mathrm{Br}_4$的输运特性的测量还存着一些问题。

最近，北京理工大学物理学院肖文德研究员、韩俊峰副教授等人合作，采用机械剥离方法，获得了高质量的一维$\alpha$-$\mathrm{Bi}_4\mathrm{Br}_4$单晶纳米带，并采用光学显微镜、扫描电子显微镜和原子力显微镜对纳米带的结构进行表征。为了研究$\alpha$-$\mathrm{Bi}_4\mathrm{Br}_4$的输运特性，作者使用四探针测量法对纳米带及其体材料不同温度下的电阻率进行了表征，发现纳米带的电阻率远小于体材料，并可承载高电流密度，可与铜或银相媲美。由于$\alpha$-$\mathrm{Bi}_4\mathrm{Br}_4$表面具有拓扑保护的一维边缘态，这些边缘态参与了导电。并且，一维纳米带体表面积远大于体材料的$\alpha$-$\mathrm{Bi}_4\mathrm{Br}_4$，因而纳米带电阻率远高于体材料。此外，作者使用透射电子显微镜研究了$\alpha$-$\mathrm{Bi}_4\mathrm{Br}_4$纳米带随着电流增加发生的相变过程，揭示了$\alpha$-$\mathrm{Bi}_4\mathrm{Br}_4$纳米带所能承载的最大电流密度。这一工作揭示了$\alpha$-$\mathrm{Bi}_4\mathrm{Br}_4$纳米带的输运特性，并发现其良好的导电性和承载大电流的能力，为拓扑材料的应用展示了巨大的前景。相关工作发表在J. Phys. Chem. C 40, 22312 (2021) 。

该工作得到国家自然科学基金委（11734003 和21773008）、科技部国家重点研发计划（2020YFA0308800）和中科院先导计划（XDB30000000）等项目的支持。

图1 $\alpha$-$\mathrm{Bi}_4\mathrm{Br}_4$纳米带的输运特性。(a) 四探针法测量$\alpha$-$\mathrm{Bi}_4\mathrm{Br}_4$纳米带的光学图像。(b-c)四探针法测量$\alpha$-$\mathrm{Bi}_4\mathrm{Br}_4$纳米带和体材料的电阻率随温度变化关系。(d) 双探针法测量无支撑的$\alpha$-$\mathrm{Bi}_4\mathrm{Br}_4$纳米带的SEM图像。(e) 不同温度下纳米带的$I$-$V$曲线。(f) 双探针法测量无支撑的$\alpha$-$\mathrm{Bi}_4\mathrm{Br}_4$纳米带电阻率随温度的变化关系。