近日，西湖大学理学院刘仕课题组在《Materials Horizons》发表了题为“On-demand quantum spin Hall insulators controlled by two-dimensional ferroelectricity”的研究论文。他们通过设计二维铁电异质结构，完全利用拓扑平庸材料构建铁电性-能带拓扑性强耦合的II型二维铁电拓扑绝缘体，实现利用铁电翻转开关量子自旋霍尔效应，为发展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。西湖大学刘仕研究员和李牮研究员为该工作的共同通讯作者，浙江大学-西湖大学联合培养博士研究生黄佳玮为该论文的第一作者。

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。

研究内容

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 之间的任何值。在顶栅和底栅之间没有垂直电场的情况下，边缘状态可保持非易失性。

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* and Shi Liu*

Doi: 10.1039/d2mh00334a