量子自旋霍尔效应是指样品在不加外磁场的作用下（即保持时间反演对称），边缘处会产生自旋方向相反的边缘态。自旋方向相反的边缘态可对应于逻辑门电路中的“0”和“1”。由于此边界态的出现可以不需要电流，因此，量子自旋霍尔效应在自旋电子学和自旋存储器方面有很大的应用前景。到目前为止，已有许多理论研究者预测在不同的二维体系中实现量子自旋霍尔效应。但在实验中仅在HgTe和InAs/GaSb量子阱中观测到了该效应。理论预言第四主族的元素（C、Si、Ge、Sn）组成的二维六角晶格材料可以实现量子自旋霍尔效应。其中由于Sn元素具有很强的自旋轨道耦合作用，使得此效应的观测温度较高，是量子自旋霍尔效应的理想候选者。然而二维的锡烯是不稳定的，必须生长在合适的衬底上。尽管实验人员利用分子束外延的方法在Bi2Te3（111）面上生长出了锡烯，但锡烯的拓扑特性被明显的破坏了。因此，我们需要找到与锡烯晶格常数匹配并且其拓扑特性不被破坏的衬底。

张会生讲师与合作者提出将锡烯生长在层状的碘化铅表面，通过锡烯与碘化铅间较弱的范德华力来保护锡烯的拓扑特性。研究发现碘化铅材料的晶格常数为4.56Å，是具有2.5eV能隙的绝缘体。因此，碘化铅是生长锡烯的理想衬底。将锡烯用卤族元素全饱和后（即SnX），形成SnX/PbI2异质结。结果表明，当考虑自旋轨道耦合相互作用后，SnI/PbI2异质结的能隙为0.3eV，与二维SnI的能隙一样。计算得到的Z2不变量为1以及在此异质结的边缘出现两条自旋方向相反的边缘态，证明在SnX/PbI2异质结可以实现室温量子自旋霍尔效应。该研究结果为实验生长锡烯材料提供了新的思路，同时为实现高温量子自旋霍尔效应提供了理论指导。

该研究成果以《Room temperature quantum spin Hall insulator: Functionalized stanene on layered PbI2 substrate》为题于2017年8月15日发表在Appl. Phys. Lett.期刊上。

全文链接：http://dx.doi.org/10.1063/1.4985643

（a）SnI/PbI2异质结的能带图；（b）Z2不变量;（c）armchair与zigzag边的SnI/PbI2纳米条带示意图；（d）和（e）分别为图（c）zigzag与armchair纳米条带的能带图。