Bi₂Te₃、Sb₂Te₃和Bi₂Se₃等二维层状拓扑绝缘体材料具有独特的狄拉克表面态，该性质在凝聚态物理和材料科学领域引起了广泛的研究兴趣。这些材料的电子特性的系统性调控可以通过在其中掺杂异质原子来实现。例如，铜在Cu_xBi₂Se₃中起到了双重作用，插层在Bi₂Se₃范德华间隙中的铜（原子或正一价阳离子）通常作为电子供体以增强导电性，而掺杂在Bi₂Se₃晶格中的铜离子（+2，占据Bi²⁺位点）则表现为会减少自由电子的浓度的受体。另一方面，Cu_xBi₂Se₃材料在一定的掺杂浓度下可表现出超导性，为研究奇宇称向列型超导性等新奇现象提供了一个有趣的材料体系，并在容错拓扑量子计算领域有潜在应用前景。因此，精准控制Cu_xBi₂Se₃中铜的掺杂位置和浓度对于调控其电子和新兴量子特性至关重要。

为了解决Cu_xBi₂Se₃的制备问题，研究人员提出了多种方法，主要归纳为以下两种策略：将铜插层到二维层状Bi₂Se₃的层间空隙中和直接生长/合成Cu_xBi₂Se₃晶体。气态、固态和液态的铜前驱物，均可用于插层。然而，固态插层较容易导致铜过量，从而破坏Bi₂Se₃的晶格结构。基于溶液的插层反应，通常在相对温和的反应条件下进行，但由于插层物在范德华间隙中的扩散较慢，对大规模制备Cu_xBi₂Se₃材料构成了挑战。直接生长/合成的方法可以解决扩散带来的问题，但传统的生长方法通常需要超过550°C的高温以及长达数天的生长时间。综上所述，Cu_xBi₂Se₃材料的精准合成仍然面临着诸多挑战。

图1. 掺杂铜处于插层位点或取代位点及其性质的关系图

近日，加州大学洛杉矶分校的段镶锋教授在Precision Chemistry上发表了精准控制Cu_xBi₂Se₃纳米片中的两性掺杂的研究。该工作报道了一种通过使用逐渐释放低浓度Cu⁺的铜前驱体（CuI），系统性调控Cu_xBi₂Se₃纳米片铜掺杂浓度的合成方法。表征显示，在低浓度下，铜原子最初占据Bi₂Se₃层间范德华间隙中的插层位点，并随着铜浓度的增加逐渐取代Bi₂Se₃结构中Bi，占据替代位点（图2）。该研究通过对Cu_xBi₂Se₃导电薄膜的电学测量进一步展示了，插层位点的铜原子作为电子供体，增强了材料的导电性，而替代位点的铜原子则作为电子受体，抑制了导电性。磁性测量则显示，在临界温度（T_c）约为2.4K时， Cu_0.18Bi₂Se₃样品展现出了超导行为，而这种现象在本征的Bi₂Se₃样品以及高浓度掺杂的Cu_xBi₂Se₃中均不存在，突出了精确控制掺杂水平在调控奇异量子特性中的重要作用（图3）。

图2. Cu_xBi₂Se₃中铜含量和掺杂位点的表征

图3. Cu_xBi₂Se₃的电学和磁学表征

本研究通过建立一种简单且高效的溶液合成方法，成功实现了对特定掺杂浓度和掺杂位点的Cu_xBi₂Se₃纳米片的精准合成，从而能够精确调控由铜掺杂引入的不同电子特性。研究揭示了铜在插层位点作为电子供体和在取代位点作为电子受体的两性掺杂规律，并在液相合成的Cu_0.18Bi₂Se₃纳米片中成功观察到了超导行为。该合成策略不仅在材料制备的可控性和电子性能的调控方面取得了重要突破，还为低维材料的合成提供了新的方法学视角，为调控奇异量子特性提供了一个新的材料平台。此外，这一研究在推动容错拓扑量子计算和新型电子器件的广泛应用中具有重要意义。

相关论文发表在以精准为导向的高质量期刊Precision Chemistry上，UCLA博士后研究员任华英为文章的第一作者， 段镶锋教授为通讯作者。

段镶锋，美国加州大学洛杉矶分校终身教授，专注于纳米材料的合成/组装和表征、先进电子和光子材料与器件、能源利用/转化与存储、生物医学传感与治疗等研究。