最近，合肥微尺度物质科学国家实验室和化学与材料科学学院曾杰教授研究组在拓扑绝缘体二维层状纳米材料Bi₂Se₃的结构设计、合成与生长机理研究方面取得重要进展。研究人员对Bi₂Se₃晶体的成核及生长进行了动力学调控，通过引入螺旋位错首次实现了二维层状材料的螺旋生长，将材料由分立的层状转变成连续性的螺旋条带，从而获得了一种既不同于单层又有别于传统块体的新型纳米材料。该成果以“Screw-Dislocation-Driven Bidirectional Spiral Growth of Bi₂Se₃ Nanoplates”为题发表在《德国应用化学》杂志上（Angew. Chem. Int. Ed. 2014, DOI：10.1002/anie.201403530），论文的第一作者是硕士研究生庄阿伟。

（A）Bi₂Se₃的层状晶体结构示意图；（B）将螺旋位错引入Bi₂Se₃导致的结构转变。

　　类石墨烯层状结构的Bi₂Se₃因其简单的能带结构、远大于室温的能量涨落体带隙，被认为是最有前景的拓扑绝缘体材料之一。拓扑绝缘体是一种近几年被发现的新型量子物质态，在能量无耗传输、自旋电子学以及量子计算机等方面有着很大的应用前景。拓扑绝缘体除了奇异的不受缺陷和非磁性杂质散射的拓扑表面态外，若在其中引入一个螺旋位错的线缺陷，还可能会产生一对拓扑保护的一维螺旋态，从而创造一条完美的导电通道。曾杰教授课题组基于特色的可控制备手段，从晶体生长的动力学理论出发，通过将反应体系维持在极低的过饱和条件下，使Bi₂Se₃在成核过程中产生螺旋位错的缺陷，从而诱导层状材料进行双向的螺旋生长，打破Bi₂Se₃本征的晶体生长模式。此外，研究人员还通过对螺旋生长速度的控制，合成出不同发展程度的螺旋结构，从中阐明了二维层状材料的螺旋生长机理。这项研究为实现一维拓扑螺旋态提供了材料基础，有助于促进Bi₂Se₃在拓扑绝缘体、热电以及催化等方面的新发展。此外，探索螺旋生长的方式对于合成其他二维层状材料的螺旋结构，从而调制材料的物理性能也有重要的指导意义。
　　这项研究得到了科技部青年973计划、国家自然科学基金、中科院、中国科学技术大学创新团队培育基金等项目的资助。
　　论文链接：http://dx.doi.org/10.1002/anie.201403530