科学家提出纳米线从InAs到Eu3In2As4的新转型！

【研究背景】

纳米线（NWs）是具有独特电子特性的准一维材料，因其在纳米尺度上的尺寸限制和调控能力而成为研究热点。然而，纳米线的生长面临显著挑战，如受限的晶体结构和元素组成，限制了其功能性和应用范围。

为了解决这些问题，以色列魏茨曼研究Hadas Shtrikman & Haim Beidenkopf教授团队探索了固态拓扑互交换方法，将纤锌矿InAs纳米线转化为Zintl相Eu3In2As4。这种方法通过分子束外延技术，原位蒸发Eu和As到InAs纳米线上，导致了Eu从壳层和In从核心的互交换，最终形成了单相的Eu3In2As4壳层，逐渐消耗了InAs核心。该过程的成功实现得益于As基质的拓扑相似性，这使得拓扑互交换成为可能。

研究表明，转化后的Eu3In2As4纳米线在约6.5 K的奈尔温度下经历反铁磁转变，并且其具有C2T轴子绝缘体的特性，支持手性铰链模式和不固定的Dirac表面态。这些成果为探索复杂的磁拓扑现象提供了新的平台，并有望在其他奇异化合物中应用该方法，扩展了纳米线生长的材料范围。

【表征亮点】

1. 实验首次实现了固态拓扑互交换，将纤锌矿InAs纳米线转化为Zintl相Eu3In2As4。这一过程利用了分子束外延（MBE）技术，通过在InAs纳米线上原位蒸发Eu和As，成功实现了Eu和In的相互交换。

2. 实验通过在MBE过程中进行的拓扑互交换，获得了单相Eu3In2As4壳层。这种壳层逐渐消耗了InAs核心。这一拓扑互交换过程得到了As基质的支持，该基质在纤锌矿InAs和Zintl Eu3In2As4中具有相似的亚结构，确保了拓扑性。

3. Eu3In2As4纳米线在约6.5 K下经历了反铁磁转变。第一性原理计算确认了其反铁磁基态，并将Eu3In2As4归类为C2T轴子绝缘体，具备手性铰链模式和不固定的Dirac表面态。

【图文解读】

图1：  在纤锌矿wurtzite，WZ InAs核上，Zintl Eu3In2As4壳交换生长。

图2：六方晶系InAs到斜方晶系orthorhombic Eu3In2As4的拓扑轴性转变。

图3：Zintl Eu3In2As4纳米线拓扑相互交换生长的参数空间。

图4: Zintl Eu3In2As4的磁性表征。

图5: 计算的磁拓扑相图。

【科学启迪】

本文展示了固态拓扑互交换生长方法的应用及其潜力，特别是在纳米线材料的设计和功能化方面。通过将纤锌矿InAs纳米线转化为Zintl相Eu3In2As4，研究揭示了在固态条件下实现拓扑材料的可能性，突破了传统方法的限制。该方法不仅克服了纳米线生长中面临的晶体结构和元素组成的挑战，还利用了As基质的拓扑特性，使得Eu3In2As4的单相壳层在纳米线中逐渐形成，从而引入了反铁磁性和轴子绝缘体特性。此技术的成功应用展示了拓扑互交换在创建复杂磁拓扑材料中的巨大潜力，开辟了探索磁拓扑现象的新途径，尤其是在稀有和奇异化合物中。这一发现不仅推动了纳米材料领域的研究，也为未来开发新型功能材料提供了重要的理论和实践基础。

参考文献：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