一、研究背景：
相变是凝聚态物理的前沿关注领域。与传统的结构相变不同，拓扑相变（TPT）可在不涉及晶体结构改变的前提下，实现材料电子能带结构在拓扑非平庸态与平庸态之间发生转变的一种特殊相变行为，具有优异的调控可逆性。因此，拓扑相变不仅对理解凝聚态物理中的新奇量子态具有重要的科学意义，更有望为下一代低功耗、高速度电子器件提供全新的物理基础。然而，此前实现拓扑相变主要依赖元素掺杂、高压、强磁场等手段，这些方法往往不可逆、对材料具有破坏性，且难以与现有半导体工艺兼容。
从原理上讲，对低维量子材料施加外电场可诱发量子限域的斯塔克效应，从而重塑拓扑材料的能带结构，并有可能驱动可逆的拓扑相变。与其他拓扑相变的调控手段相比，栅压调控兼具非破坏性操作、高度可调性以及与现有半导体工艺兼容等一系列优势。然而，栅压可调拓扑相变仍停留在理论层面。目前，通过简单的栅极电压，在器件级别实现可逆、无损的拓扑相变调控仍具挑战。
二、文章简介：
针对上述问题，betway西汉姆联官网吴金雄教授团队在前期开发的Bi₂O₃辅助化学气相沉积方法及构筑高性能β-Ag₂Te拓扑绝缘体角度传感器(Nat. Electron. 2024, 7, 662; Nat. Common., 2024, 15, 1259)的基础上，进一步通过精确控制合成条件，实现了高质量超薄拓扑绝缘体β-Ag₂Te单晶纳米片的可控制备。基于超薄β-Ag₂Te纳米片，他们构筑了顶栅霍尔器件，首次在实验上直接观测到由栅极电压可逆调控的拓扑相变：小栅压下量子振荡呈现π贝里相位（拓扑非平庸态），高栅压下贝里相位转变为0（拓扑平庸态）。理论计算表明，该相变源于外电场诱导的Ag-s轨道与Te-p轨道相对能级移动，导致能带反转关闭与重新打开。基于这一机制，团队成功制备了拓扑相变场效应晶体管（TPT-FET），其电流开关比超过10⁴，远超传统拓扑绝缘体器件。这一突破性成果为拓扑量子态的电学调控和新型低功耗逻辑器件开辟了新路径。相关研究成果近日在线发表于国际著名期刊National Science Review上。betway西汉姆联官网材料学院博士研究生艾威、华南师范大学博士研究生罗晓峰为共同第一作者，betway西汉姆联官网吴金雄教授、华南师范大学赵锦柱研究员、中国石油大学王璟岳教授、betway西汉姆联官网罗锋教授为论文的共同通讯作者。betway西汉姆联官网为第一通讯单位。
三、研究内容：
1、高质量超薄β-Ag₂Te单晶纳米片的化学气相沉积制备
研究团队首先计算了β-Ag₂Te的能带结构，确认其为具有36.7 meV窄体带隙的三维拓扑绝缘体，且在费米能级附近存在受拓扑保护的导电表面态。随后，基于前期Bi₂O₃辅助化学气相沉积制备β-Ag₂Te纳米片的相关研究，通过降低沉积温度，成功在云母衬底上实现了厚度低于10 nm的高质量β-Ag₂Te单晶纳米片的可控制备（图1）。
图1. 超薄β-Ag₂Te的能带结构及化学气相沉积制备。
2、超薄β-Ag₂Te单晶纳米片的高迁移率与SdH量子振荡
为评估超薄β-Ag₂Te单晶纳米片的基本电学输运行为，团队构筑了顶栅霍尔器件，并进行了低温电学输运测量（图2）。在其中观测到金属型R-T曲线、较高的室温(>5000 cm² V⁻¹ s⁻¹)及低温霍尔迁移率(>17000 cm² V⁻¹ s⁻¹)、较低的载流子浓度(~1.55×10¹² cm⁻²)、显著的Shubnikov–de Haas（SdH）量子振荡以及较低的载流子有效质量（0.051 m0）。
图2. 超薄β-Ag2Te的电学输运测试。
3、超薄β-Ag₂Te单晶纳米片中栅压可调的拓扑相变
团队进一步在不同的栅压下开展了详细的霍尔测量（图3）。栅压依赖的霍尔测量显示，载流子浓度可从1.5×10¹² cm⁻²连续调控至3.3×10¹² cm⁻²，迁移率最高达30000 cm²/V·s（图3b）。SdH量子振荡随栅压显著变化（图3c）。通过Landau扇形图分析，研究者提取了贝里相位相关的截距γ。如图3e所示，当栅压 Vg < 0.6 V 时，γ ≈ 1/8，对应于三维拓扑非平庸态（π贝里相位）；当 Vg > 0.6 V 时，γ 突然跳变至 5/8，对应于拓扑平庸态。这一截距的阶跃式变化直接证明了栅压诱导的拓扑相变。多个器件（厚度10-14 nm）均观察到类似行为，且临界栅压随厚度增加而升高，符合电场屏蔽效应预期。
图3. 超薄β-Ag₂Te中栅压可调的拓扑相变。
4、超薄β-Ag₂Te单晶纳米片中拓扑相变的理论起源及拓扑相变晶体管
理论计算进一步揭示了相变根源：对12个单胞厚度（~10 nm）的β-Ag₂Te slab进行含外电场的DFT计算，发现无电场时存在23.2 meV的拓扑非平庸能隙及受保护的表面态（图4a左）；当施加0.037 eV/Å的垂直电场时，能隙关闭至~1.2 meV（临界点）；当电场增至0.1 eV/Å时，能隙重新打开至43.3 meV，且表面态消失，体系转变为Z₂=0的平庸绝缘体（图4a右）。能隙随电场的变化呈现典型的“关闭-重开”行为，与实验观察到的贝里相位跳变完美吻合（图4b）。基于该栅压可调拓扑相变，团队进一步演示了拓扑相变场效应晶体管（TPT-FET，图4c）。四探针转移曲线（图4d）显示，该器件的开关比高达~10⁴，场效应迁移率约为22100 cm²/V·s。这一性能远超传统拓扑绝缘体器件（后者因金属表面态存在，开关比通常极低）。该工作首次实现了基于本征拓扑相变的晶体管原型。
图4. 超薄β-Ag₂Te中栅压可调的拓扑相变的理论起源及β-Ag₂Te基拓扑相变晶体管。
四、结论与展望：
吴金雄团队与合作者通过高质量超薄β-Ag₂Te的生长、顶栅量子输运测量及含外电场的第一性原理计算，首次在器件级别实现了栅压驱动的可逆拓扑相变，并成功构建了开关比超过10⁴的拓扑相变场效应晶体管。该工作解决了拓扑材料中电学调控拓扑态的关键难题，将拓扑相变从物理现象转化为可集成的电子器件功能。未来，基于拓扑相变原理的晶体管有望突破传统CMOS的能耗瓶颈，在超低功耗逻辑计算、量子态电控及拓扑自旋电子学等领域发挥重要作用。
五、致谢：
感谢山西大学的韩拯教授具有启发性的讨论，感谢国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、广东省基础与应用基础研究基金、广东省普通高校科技计划项目、山东省泰山学者工程、青岛市自然科学基金的资助。
文章信息
Authors: Wei Ai†, Xiao-Feng Luo†, Zhaochao Liu, Ying Deng, Zunxian Lv, Yuyu He, Lingyue Li, Xuewen Fu, Feng Luo*, Jingyue Wang*, Jin-Zhu Zhao*, Jinxiong Wu*
Title: Transport signatures of gate-tunable topological phase transition in ultrathin β-Ag2Te
Published in: National Science Review, doi:10.1093/nsr/nwag229
