利用有限尺寸效应优化受限二维Xene纳米带中的拓扑开关

在拓扑电子学的蓝图中，拓扑绝缘体材料中的边缘态输运可通过栅极诱导的拓扑量子相变来控制。本文通过研究电子性质的宽度依赖性，推断锯齿形Xene纳米带是拓扑电子学的有前途材料，展现出与本征能带拓扑及栅极诱导拓扑开关上的有限尺寸效应相关的独特物理特征。首先，由于与本征能带拓扑驱动的零能量模在原始情况下相互交织，锯齿形Xene纳米带中的自旋过滤手性边缘态即使在超窄带中有限的边缘间重叠下仍保持无能隙且免受背散射保护，即二维量子自旋霍尔材料转变为一维拓扑金属。其次，主要由于栅极诱导的边缘间耦合在宽度和动量上的可调性，在无能隙与有能隙边缘态之间切换所需的阈值电压随宽度减小而降低，且不存在任何基本下限。第三，当锯齿形Xene纳米带的宽度小于临界极限时，边缘态之间的拓扑切换可在体带隙不闭合与重开的情况下实现。这主要归因于体带谱上的量子限制效应，其随宽度减小而增大非平庸体带隙。这种受保护的能隙边缘态的存在以及阈值电压的降低伴随体带隙的增强，颠覆了在标准场效应晶体管分析中利用窄带隙和宽沟道材料以降低阈值电压的普遍认知，并为低电压拓扑器件铺平了道路。