二维材料拓扑声子晶体：微型、高性能且可电调制

来源：两江科技评论

导读

近日，南京大学固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同中心、现代工程与应用科学学院的陈延峰教授，卢明辉教授课题团队，通过利用平铺在图形化衬底上的二维材料，设计了一种可电调制的弹性波扑绝缘体。相关工作以Electrically Tunable Elastic Topological Insulators Using Atomically Thin Two-Dimensional Materials Pinned on Patterned Substrates为题发表于Physical Review Applied杂志。南京大学博士生张子栋为论文的第一作者，余思远副教授和卢明辉教授为通讯作者。

研究背景

对弹性波进行精确操控在微波声学器件领域具有很高的应用价值。当前迅速发展的拓扑声子学极大地提升了人们对弹性波的操控能力。一阶拓扑绝缘体提供了理想的弹性波波导技术，其优势有：（1）路径任意且缺陷免疫，传输损耗极低；（2）具有宽工作带宽；（3）几乎无色散。二阶拓扑绝缘体提供了理想的零维弹性波谐振腔，其优势有：（1）高品质因子；（2）小模式体系。利用弹性波拓扑波导和谐振腔组合即可实现性能优异的声学模拟信号处理器件。因此，将弹性拓扑材料进行微型化、集成化、乃至可（电）调制化，是一个极具潜力的应用研究方向。近期，一些可调、可重构的弹性波拓扑材料已被实验证实。然而，这些方案普遍需要复杂的外部电路，而仍处于宏观尺度。一种芯片级、易于实现且可（电）调制的弹性波拓扑材料方案仍然缺失。

创新研究

具有原子层厚度的二维材料不仅具有高刚度、高强度、低质量等优异的力学性能，同时还具有优异的电、光及磁学特性，使其成为可调、可重构器件的理想选择。在本文中，研究人员巧妙地将二维材料平铺在图形化衬底上，设计了一种由悬浮二维材料构筑的弹性波声子晶体，如图1所示。 

图1：二维材料构筑的声子晶体示意

由于悬浮的二维材料与基底具有较大的声学阻抗失配，悬浮二维材料中的弹性波将无法进入到基底中，因此也就能够实现图形化的二维声子晶体。通过对图形化基底的精确设计，进而可以实现该声子晶体的拓扑态，包括（一阶拓扑）一维边界态及（二阶拓扑）零维拐角态。并可以利用它们实现构筑于二维材料的弹性波导、分束器、谐振器、带通/带阻滤波器等，如图2所示。

图2：基于该声子晶体拓扑边界态及角态构建的带通滤波器。a器件构型；b透射谱；c理论Q值超106；d角态的激发场。

最为重要的是，由于二维材料具有较高的“电-机械”敏感性，人们即可以通过栅极电压对这些弹性波元器件的工作频率进行有效调制，栅压加载方式及调控效果如图3所示。该案例中，研究人员选用的二维材料为石墨烯，衬底为表面沉积有二氧化硅薄膜的重掺杂硅（对二氧化硅进行图形化）。包含有悬浮二维材料的复合材料整体形成电容类结构。可通过增减栅极电压，调控静电力的大小，进而增减石墨烯的形变，最终实现对器件工作频率的调控。

图3：二维材料拓扑声子晶体的电调制。 a栅极电压加载示意；b栅压加载量与声子晶体Dirac频率的关系；c栅压加载量与图2所示的带通滤波器工作频率的关系。

总 结

面向实现弹性拓扑材料的器件化和电可调制，研究人员从设计的角度提出了一种基于原子薄膜二维材料的弹性波拓扑绝缘体，并展示了一些基于其低阶和高阶拓扑态实现的功能元器件。所有这些元器件都具有优良的性能和工作频率电可调制性。从可调性的角度来看，除了本文所论证的电可调外，外部光、磁、热、气体等都可以对这类器件进行调制。从器件工作频率的角度来看，该设计方案下的器件工作频率能够达到数十吉赫兹甚至更高。这些优势高度有利于将与“拓扑”相关的新原理应用于下一代的微波声学器件，以及“光-声”“磁-声”等相互作用的基础研究。该研究得到了国家重点研究计划及国家自然科学基金委相关项目的支持。