近日，厦门大学化学化工学院魏现奎教授与物理学院孙阳教授、苏州大学游陆教授以及德国于利希研究中心联合研究团队，在范德华层状拓扑绝缘体显微结构领域取得突破性进展，相关成果以题为《Intrinsic Defect‐Induced Exotic Polarization Waves in Van der Waals Layered Topological Insulators》正式在线发表于材料科学国际顶级期刊《Advanced Materials》，https://doi.org/10.1002/adma.74576。该研究首次在碲化铋拓扑绝缘体薄膜中观测到反位缺陷诱导的两类新奇极化波，为基于缺陷工程调控拓扑绝缘体物性、以及新一代量子电子、自旋光电器件的开发开辟了全新路径。
拓扑绝缘体是凝聚态物理与量子信息领域的核心前沿材料，其体内绝缘、表面具备受拓扑保护的无耗散螺旋狄拉克电子态，在量子计算、低功耗存储、热电转换等领域具备巨大应用潜力。传统研究多依靠层间扭转、外场调控等外部手段打破晶格反演对称，实现极化、涡旋等新奇物态；而二维碲化铋拓扑绝缘体天然存在大量本征反位点缺陷，缺陷如何影响材料自身结构变化、极化序与拓扑表面态能否共存，是长期悬而未决的关键科学难题，制约了拓扑材料的精准物性调控与器件化应用。
针对上述瓶颈，依托分子束外延（MBE）技术，研究团队在硅衬底精准制备高质量Bi2Te3、Bi8Te9两类(Bi2)m(Bi2Te3)n拓扑绝缘体薄膜，借助原子分辨球差校正扫描透射电子显微镜（STEM）、SHG表征和大量DFT计算，直观捕捉到原子尺度反位缺陷（TeBi、BiTe）分布规律与八面体极性结构之间的关联，进而揭示出BiTe6八面体跨越van der Waals界面所形成的两种新奇极化波及其形成机理。
图1. Bi-Te晶体结构与八面体极性示意图
图2. 薄膜微观结构与原子反位缺陷STEM图
研究取得两大核心原创发现：
- Bi2Te3薄膜中准摆线序极化波（quasi-cycloidal polarization wave）：随机分布的TeBi反位缺陷打破晶格反演对称性，引发BiTe6八面体非对称畸变，在范德华界面法向形成二维准摆线有序极化波；薄膜厚度提升时缺陷密度同步增加，二次谐波（SHG）光学测试证实宏观反演对称性破缺显著增强，完美佐证缺陷与长程偶极关联的内在关联。
- Bi8Te9中超曲线极化波（hyperbolic polarization wave）：体系中有序排布的反位缺陷同样打破了晶格反演对称性、并将金属 Bi-Bi 双层转化为 Bi-Te 层状结构，形成沿层法向周期性起伏的双曲线型极化波；Bi-Bi 双层可实现电荷屏蔽，极化矢量仅沿垂直薄膜 z 轴定向，与Bi2Te3多方向自由极化形成鲜明区分。
图3. 两类波状极化序在实验图像中的定量测量结果示意图
为阐释新奇极化波的物理根源，团队开展大规模第一性原理计算，证实共顶点非中心对称八面体堆积 + 载流子屏蔽不足是极化金属态共存的核心机制。不同于常规铁电材料极化与金属导电性互斥的特性，碲化铋体系中本征缺陷诱发局域电偶极长程耦合，同时 Bi-Bi 成键赋予材料金属输运特性；基于Thomas-Fermi screening theory计算的屏蔽长度显示，载流子屏蔽能力弱，无法完全抵消局域极化场，因此极化有序可稳定存在。更重要的是，即便存在高密度随机反位缺陷，材料拓扑保护的狄拉克表面态依然完整保留，实现极化有序与拓扑本征态兼容共存，这颠覆了极化序会破坏拓扑物性的传统认知。
图4. 缺陷偶极关联与拓扑能带理论计算结果
本研究融合薄膜生长、原子尺度电镜表征、非线性光学测试与多尺度理论模拟，构建了 “本质缺陷 – 晶格畸变 – 偶极关联 – 拓扑电子态” 完整物理图像，创新性提出本征反位缺陷作为调控二维拓扑材料极化、输运特性的全新手段。相较于传统界面、应力调控策略，缺陷调控工艺更简洁、可调维度更丰富，为深入理解拓扑材料自身结构特征、开发兼具极化、拓扑输运双重功能的新型多功能量子器件提供全新设计思路。
图5. 二次谐波SHG光学验证实验数据图
总的来说，上述研究发现在三个层面颠覆了我们的传统认知：
- 随机的本征反位缺陷作为对称性破缺的 “调控杠杆”，在二维层状材料中同样可实现缺陷驱动的集体极化行为。
- 尽管层间是弱范德华相互作用，缺陷仍能驱动跨范德华间隙的长程极化关联。
- 在拓扑绝缘体同源相Bi8Te9中发现了极性金属态的存在。
该工作由魏现奎教授团队主导完成，与孙阳教授为共同通讯作者，与Abdur Rehman Jalil、江俊杰、李乾坤为论文共同第一作者，厦门大学为核心完成单位。该研究工作获得德国卓越战略集群专项、国家海外高层次青年人才项目、国家自然科学基金、厦门市自然科学基金以及厦门大学校长基金等多项课题资助。
厦门大学魏现奎教授团队长期聚焦显微方法、功能（铁电、储能、催化、二维等）材料中的新颖极性物态发掘、以及结构-性能关联研究，迄今在国际期刊发表60余篇SCI论文和两项研究专利，包括Nat. Mater. (1), Nat. Commun. (5), Adv. Mater. (4), Sci. Adv. (2), J. Am. Chem. Soc. (5), Matter (1), Nano Energy(1), ACS Nano (1)等，其中多篇为第一、唯一及共同通讯作者，总引用2700余次，H-index = 30，单篇最高引261次。获得2024年国际学术组织Best Researcher Award，2021年国际先进材料协会 IAAM Young Scientist Medal奖章，担任Phase Transitions期刊副主编及Energies客座编辑等。
