研究背景
隨著材料科學的發展，納米線（NWs）因其獨特的物理和電子特性引起了科學家的廣泛關注。這些準一維結構能夠通過其獨特的電子特性促進特定的器件架構，已在多個科學和技術領域中展現出巨大的應用潛力。然而，納米線的生長面臨諸多挑戰，尤其是在控制其晶體結構和元素組成方面。傳統的生長方法往往受到嚴格的幾何限制，限制了能夠在納米線形式下生長的化合物種類，從而限制了其功能性。因此，如何在納米尺度上實現更復雜的材料生長和轉化，成為了當前研究的難題。拓撲轉換指的是在保持原始晶體結構和取向的情況下，受控地改變晶體的組成。這一過程能夠在最小擾動的情況下，將一種材料轉化為另一種材料，從而賦予其新的特性。特別是在納米線領域，拓撲轉換可以實現從一種納米線材料向另一種具有特定特性的材料的轉化。然而，目前的研究主要集中在溶液環境中進行的拓撲轉換，這種環境為交換過程提供了豐富的離子來源，然而，如何在氣-固界面下實現這一過程仍然是一個未解難題。為了解決這一問題，以色列魏茨曼研究Hadas Shtrikman & Haim Beidenkopf教授團隊在“Nature Nanotechnology”期刊上發表了題為“Topotaxial mutual-exchange growth of magnetic Zintl Eu3In2As4 nanowires with axion insulator classification”的最新論文。研究者們采用了基于分子束外延（MBE）的原位氣-固拓撲互交換生長方法。通過將Eu和As原子蒸發到InAs納米線上，研究團隊實現了殼層中的Eu與核心中的In的相互交換，從而形成了單相的Eu3In2As4殼層，并逐漸消耗InAs核心。 這種相互交換過程是由As基質的亞結構支持的，由于纖鋅礦InAs和Zintl Eu3In2As4之間的結構相似性，這一過程具有拓撲性。這一研究不僅成功地實現了InAs納米線向Eu3In2As4的轉化，還證實了Eu3In2As4納米線在約6.5 K下具有反鐵磁轉變，并且是一種C2T軸子絕緣體，展示了手性鉸鏈模式和不固定的Dirac表面態。
研究亮點
（1）實驗首次將纖鋅礦InAs納米線通過固態拓撲互交換方法轉化為Zintl相Eu3In2As4。這一創新方法基于分子束外延技術，將Eu和As原位蒸發到InAs納米線表面，實現了殼層中的Eu與核心中的In的相互交換，從而在納米線外部形成單相Eu3In2As4殼層，同時逐漸消耗InAs核心。（2）實驗通過在固態環境下進行的拓撲互交換，實現了對Eu3In2As4納米線的成功合成。這種拓撲互交換過程由As基質的亞結構支持，該基質在纖鋅礦InAs和Zintl Eu3In2As4中具有相似性，從而保證了互交換的拓撲性。結果顯示，Eu3In2As4納米線在約6.5 K的奈爾溫度下經歷了反鐵磁轉變。 （3）第一性原理計算確認了Eu3In2As4的反鐵磁基態，并將其分類為C2T軸子絕緣體，具備手性鉸鏈模式和不固定的Dirac表面態。這一拓撲互交換納米線的生長方法為探索Eu3In2As4及其他奇異化合物中的復雜磁拓撲現象提供了新途徑。
圖文解讀
圖1： 在纖鋅礦wurtzite，WZ InAs核上，Zintl Eu3In2As4殼交換生長 。圖2：六方晶系InAs到斜方晶系orthorhombic Eu3In2As4的拓撲軸性轉變。圖3：Zintl Eu3In2As4納米線拓撲相互交換生長的參數空間。圖4: Zintl Eu3In2As4的磁性表征。
總結展望
本文揭示了固態拓撲互交換技術在納米線生長中的創新應用。這種技術不僅突破了傳統納米線生長方法在晶體結構和元素組成方面的限制，還為納米線領域引入了新的研究方向。通過將纖鋅礦InAs納米線轉化為Zintl相Eu3In2As4，展示了如何利用分子束外延法中的原位蒸發實現殼層與核心之間的相互交換。這一過程通過As基質的拓撲特性得以支持，從而實現了單相Eu3In2As4殼層的逐步生長。 這種方法不僅能夠促進對復雜磁拓撲現象的探索，還可能在其他奇異化合物中實現類似的轉化。Eu3In2As4納米線的反鐵磁轉變和作為C2T軸子絕緣體的性質，展示了其在手性鉸鏈模式和Dirac表面態方面的潛力。這些發現為納米線的功能化提供了新的思路，并可能推動納米材料和器件設計領域的進一步發展，開辟了探索新型磁拓撲材料和器件的廣闊前景。Song, M.S., Houben, L., Zhao, Y. et al. Topotaxial mutual-exchange growth of magnetic Zintl Eu3In2As4 nanowires with axion insulator classification. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01762-7
