近日，南科大物理系/量子科学与工程研究院副教授刘畅课题组在金属-有机框架结构材料领域取得新进展，相关研究成果以《Quantum-confinement-induced periodic surface states in two-dimensional metal-organic frameworks》为题在《应用物理快报》 (Applied Physics Letters) 上发表。

       拓扑绝缘体的发现使人们对凝聚态物理中的一些基础概念有了更深刻和全面的认识。由于拓扑绝缘体的表面或者边界态具有受拓扑保护而不受弹性背散射和局域化限制的特性，导致许多新奇的量子现象出现，在低能耗电子器件、自旋电子学以及拓扑量子计算等领域都拥有广阔的应用前景。迄今为止，所有已经被发现的拓扑绝缘体材料都是无机物。与无机材料相比，有机材料具有成本低、易于合成和机械延展性好等优点，同时也具有许多传统的无机材料所具备的性质，比如有机超导、有机发光二极管、有机太阳能电池和有机场效应晶体管等。此外，有机分子多变的结构和组分所产生的分子种类和数量要远远多于无机材料。鉴于有机材料的这些优点，研究人员开始利用有机物来开发拓扑绝缘体材料。他们预测在金属-有机框架结构材料中会存在二维有机拓扑绝缘体以及有机陈绝缘体。

论文配图：Cu(111)衬底表面生长的金属-有机框架结构材料Cu-T4PT的表面态研究。 (a) Cu-T4PT框架材料的STM图像。 (b) Cu-T4PT框架材料的结构模型。 (c) Cu-T4PT框架材料的ARPES能带结构表征。 (d) Cu-T4PT框架材料的FT-STS表征。 (e) 分别通过ARPES和FT-STS得到的Cu-T4PT框架材料的表面态能带色散关系的定量对比。

       目前已有大量基于第一性原理的理论计算文章预言在单层的金属-有机框架结构材料中会存在有机拓扑绝缘体，但在实验上还没有确认这一点。为了验证这一猜想，刘畅课题组高级研究学者周春生等人利用搭建的有机分子束外延设备，在Cu(111)衬底上生长了单层Cu-T4PT金属-有机框架材料薄膜。借助角分辨光电子能谱和基于扫描隧道显微镜的准粒子干涉技术，他们发现这种样品除了表现出金属衬底原有的肖克利表面态外，还存在一套与金属有机晶格的周期性相对应的新表面态，这些新表面态是Cu(111)衬底表面的二维电子气在金属-有机框架材料薄膜的周期性孔洞引起的二维周期性限域势场的调制下产生的具有新的周期性的表面态。他们的工作表明，通过周期性的二维金属-有机框架材料可以可控地调制金属衬底的表面态。这一成果将促进在低维尺度下电子波函数调控工程的研究，对量子物理中的基础研究具有一定意义。 

       研究人员在Cu(111)衬底上生长的单层Cu-T4PT金属-有机框架材料薄膜中并未发现非平庸的拓扑边界态，猜测可能是因为生长在金属衬底上的金属-有机框架材料与衬底产生了强的电子耦合作用，从而改变甚至抑制了它们本征的拓扑特性。为了进一步探索有机拓扑材料，刘畅课题组将在具有弱的范德瓦耳斯界面相互作用的衬底上生长金属-有机框架材料，希望能在有机材料中找到非平庸拓扑态存在的实验证据。 

       南方科技大学物理系高级研究学者周春生为该论文第一作者，刘畅副教授为该论文唯一通讯作者。南方科技大学物理系及量子科学与工程研究院为该论文第一单位。本项研究的开展和完成得到了国家自然科学基金委员会、广东省科技厅、深圳市科技创新委员会的经费支持。本文由南方科技大学物理系及量子研究院和武汉大学物理系合作完成。

论文链接：

https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0026372