碘烯的合成及拓撲電子態觀測| 進展

二維合成材料不具有層狀三維母體材料，理論上種類非常豐富，可以實現很多常規二維材料無法實現的新奇物性，因此受到了凝聚態物理、材料化學等多個領域的廣泛關注。類石墨烯材料（Xenes），例如硅烯、硼烯等，是最簡單的一類二維合成材料。然而，已報道的多數類石墨烯材料存在空氣穩定性差、功能特性相對單一等問題，制約了其實際應用價值。由于鹵族元素具有極高的電負性，難以被氧化，因此單層鹵族元素——鹵烯理論上具有較強的空氣穩定性。然而，單質鹵素在常溫常壓下易形成雙原子分子或鹵化物，使得鹵烯的合成極具挑戰。在鹵族元素中，碘在有機合成、催化及鹵鍵作用中至關重要。近年來，少層碘納米片已在離子電池、抗菌療法等領域展現出應用潛力。特別是，碘具有較強的自旋軌道耦合，因此碘烯有望兼具空氣穩定性和新奇的拓撲電子態。然而，固體碘是由范德華力連接的I?分子構成分子晶體，以共價鍵連接的碘烯此前尚未實現。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心表面物理國家重點實驗室 SF09 組的馮寶杰研究員、陳嵐研究員、吳克輝研究員（現錢塘高等研究院）長期從事低維二維合成材料的實驗研究，成功制備了包括硅烯[Nano Lett. 12, 3507?3511 (2012)]、硼烯[Nature Chem 8, 563–568 (2016)]、氮烯[Nat. Commun. 17, 846 (2026)]等多種單元素二維材料，在國際上引起了高度關注。

最近，他們指導博士生李棟、博士后王宇，并與清華大學徐勇教授、博士后趙鑫磊合作，采用分子束外延方法，在超高真空條件下以NiI?作為蒸發源，實現了單質碘的生長，在Au(111)襯底上合成了單層碘烯。他們利用低能電子衍射、掃描隧道顯微鏡、掃描隧道譜、角分辨光電子能譜、X射線光電子能譜等實驗技術，并結合第一性原理計算，系統研究了Au(111)表面單層碘烯的可控制備、原子結構及電子性質。研究結果表明，碘烯具有有序三角晶格，并在應變調控下可以形成兩條平帶。更有意思的是，該體系為二維拓撲晶體絕緣體，在兩條平帶之間存在受晶體對稱性保護的拓撲邊緣態，同時碘烯表現出了良好的空氣穩定性。

圖：碘烯的合成和物性表征

該工作不僅實現了首個鹵烯——碘烯，也為探索拓撲電子態、平帶物理及多功能量子器件提供了新的材料平臺。另一方面，拓撲晶體絕緣體此前僅在三維材料中實現過，因此該工作也是首次實現二維拓撲晶體絕緣體。

相關研究成果以“Realization of Iodinene with Tunable Topological Edge States and Flat Bands”為題，發表在Advanced Materials。物理所博士生李棟、博士后王宇和清華大學博士后趙鑫磊為共同第一作者；物理所馮寶杰研究員和陳嵐研究員為共同通訊作者。該研究工作受到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金、中國科學院青年團隊項目的支持。

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