二維過渡金屬硫族化合物以其優異性能在光電、催化、新能源和傳感器等領域展現出巨大應用潛能。與層狀結構的過渡金屬二硫化物不同，過渡金屬單硫化物的體相都是非層狀結構。因此，相比於二維過渡金屬二硫化物，二維過渡金屬單硫化物的製備比較困難，關於其物性研究也鮮有報道。去年，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心高鴻鈞院士領導的研究團隊在二維過渡金屬單硫化物的製備方面取得了重要進展。他們通過直接硒化 Cu(111) 單晶表面，首次成功構築了新型二維過渡金屬單硫化物——單層硒化銅（CuSe），該單層硒化銅具有由晶格失配引起的週期排列的三角形納米孔洞，相關工作發表在《自然-材料》 (Nature Materials, 10.1038/nmat4915, 2017)上。然而，第一性原理計算顯示具有納米孔洞的單層硒化銅脫離基底後並不穩定，而沒有納米孔洞的單層硒化銅是穩定的。因此，通過第一性原理計算和實驗相結合進一步研究單層硒化銅的物性以及探索沒有納米孔洞的硒化銅的製備條件具有十分重要的意義。
最近，該研究組的博士生高蕾、盧建臣在杜世萱研究員、中國科學院大學林曉教授、物理所孫家濤副研究員指導下，與極端條件實驗室李航博士生、錢天和丁洪研究員開展合作，將第一性原理計算與分子束外延、掃描隧道顯微鏡學和角分辨光電子能譜學等實驗手段相結合，在理論預測的基礎上成功製備出高質量的樣品，並系統地研究了具有蜂窩狀結構的單層硒化銅的拓撲物性，在新型二維過渡金屬單硫化物硒化銅的研究方面又取得了重要進展。
對單層具有蜂窩狀結構的CuSe（圖1a）進行第一性原理計算發現平面蜂窩狀結構的單層硒化銅可以穩定存在（圖1d），且在費米麵附近具有受鏡面對稱保護的圍繞著Г點的兩個閉合的狄拉克Nodal-line費米子（圖2a和2b）。構成這兩個閉合的狄拉克Nodal-line的三條能帶中，兩條開口向下的能帶和一條開口向上的能帶分別由硒化銅的平面內軌道（Se px/py和Cu dxy/dx2-y2）和平面外軌道（Se pz和Cu dxz/dyz）貢獻。對於鏡面對稱操作Mxy，平面內的軌道表現為偶函數，平面外的軌道表現為奇函數。在不考慮自旋軌道耦合時，奇偶性不同的開口向上的能帶與兩條開口向下的能帶相交，從而形成兩個閉合的狄拉克Nodal-line。若考慮自旋軌道耦合，上述的鏡面對稱保護被破壞，兩個狄拉克Nodal-line不再受到鏡面對稱保護，從而打開能隙（圖2c）。進一步計算顯示半無限大硒化銅平面具有拓撲非平庸的邊界態（圖2d），證實了單層硒化銅的狄拉克Nodal-line拓撲物性。
基於理論計算得到的純平蜂窩狀的CuSe能夠穩定存在的結論及其新穎的拓撲物性，實驗上通過調節硒的沉積量，在 Cu(111) 基底上成功生長出了沒有周期性納米孔洞的單層硒化銅材料。其高分辨掃描隧道顯微鏡（STM）和低能電子衍射（LEED）結果顯示，該單層硒化銅呈現稍有扭曲的蜂窩狀結構，硒化銅的蜂窩狀結構沿著 Cu(111) 高對稱方向拉伸，與基底形成了一維摩爾條紋（圖3）。其角分辨光電子能譜（ARPES）結果與單層硒化銅在 Cu(111) 上的第一性原理計算結果完全吻合（圖4），進一步說明生長出來的二維單原子層結構確實是單層硒化銅。但是由於單層硒化銅與基底間的耦合太強，使得構成狄拉克Nodal-line的由平面外軌道貢獻的開口向上的特徵能帶消失。因此，角分辨光電子能譜只觀測到了兩條由平面內軌道貢獻的開口向下的能帶，並沒有觀測到由平面外軌道貢獻的開口向上的能帶。換言之，Cu(111) 上的單層硒化銅由於與基底耦合太強，其本徵的拓撲性質沒有保持。因此，我們通過第一性原理計算研究了弱耦合基底石墨烯上的單層硒化銅的電子結構。結果證實，弱耦合基底上的單層硒化銅的拓撲性質可以被很好的保持下來，是研究二維狄拉克Nodal-line拓撲物性的新平臺。
相關工作發表在近期Adv. Mater. 30, 1707055 (2018)上。該研究受到科技部（2016YFA0202300），國家自然科學基金委（61390501），中國科學院（XDB07030100, XDPB08-1）的資助。
圖1.單層硒化銅的原子結構和穩定性。
圖2.單層硒化銅的電子結構和拓撲邊界態，以及單層硒化銅在石墨烯上的原子結構和電子結構。
圖3. 單層硒化銅在Cu（111）上的STM、LEED和原子結構圖。
圖4. 單層硒化銅在Cu（111）上的ARPES結果和第一性原理計算結果的對比圖。
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