image: 蜡在加热状态下软化并黏附样品，冷却后形成坚硬透明的外壳，为样品提供支撑与保护；在蜡表面经过多次解理，可获得大面积、平整的MnBi2Te4薄片，并实现样品转移和微纳器件加工。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
研究背景
二维材料的层与层之间通过微弱的范德瓦尔斯力相耦合，因此可以被剥离到少层甚至单层，从而展现出奇异的物理性质。最常用的制备方法是直接将块体材料用胶带解理到硅片上，依靠硅片与材料之间的吸附力获得薄片样品。MnBi2Te4作为首个同时具有二维结构、本征反铁磁序和能带拓扑性的量子材料，在过去几年引起了广泛关注，在奇数和偶数层MnBi2Te4中已经分别观测到量子反常霍尔效应（Science 367, 895 (2020)）和轴子绝缘体态（Nat Mater 19, 522 (2020)）。但是这些量子态存在制备困难、可重复性低等问题，亟需全新的样品制备和器件加工技术。
传统的胶带解理方法在剥离MnBi2Te4时，薄片容易碎裂，面积过小，难以获得高质量样品。之前，科研人员通过金辅助（Nat Commun. 11, 2453 (2020)）或氧化铝辅助（Nature 563, 94 (2018)）的方法，即沉积一层金属或氧化物薄膜作为“托举层”或者“黏附层”，提升了解理的可控性和成功率。是否存在其他更加便捷的“辅助层”，既能支撑样品，又能保护脆弱的量子态？
成果介绍
在最新研究中，清华大学与中国人民大学的科研团队通过蜡辅助解理法（专利申请号：CN202311150854.3）实现对MnBi2Te4的双面氧化铝封装制备。蜡是一种常见的粘合剂，加热后会变软并具有粘性，冷却后则变硬且透明。研究人员利用这一特性，将MnBi2Te4贴附在加热变软的蜡表面，冷却后，蜡层就像一个坚硬透明的“保护外壳”。在蜡的支撑下进行解理，不仅能保持样品的完整性，还能获得大面积、平整的薄片，为后续转移与加工提供了新的可能。
基于这一方法，研究团队在先前单面氧化铝（AlOx）覆盖层的基础上（Nat Commun. 16, 1727 (2025); Nature 641, 70 (2025)），成功制备出AlOx-MnBi2Te4-AlOx双面异质结，即MnBi2Te4薄片上下两面均由氧化铝封装。氧化铝一方面作为保护层隔绝有机物接触，减少微纳加工过程对样品表面的破坏，另一方面通过界面增强磁各向异性，提升 MnBi2Te4的磁有序。在双面氧化铝封装的偶数层MnBi2Te4器件中，该研究团队观测到稳固的轴子绝缘体态，具有宽阔的零级霍尔平台和高度绝缘的纵向电阻。在奇数层器件中，量子反常霍尔效应表现尤为出色，其磁滞回线呈现近乎完美的矩形，矫顽场显著变大，面内磁场对量子反常霍尔效应的提升也验证了此前该团队在单面氧化铝器件中观测到的奇异行为。
通讯作者简介
王亚愚，清华大学物理系教授。从事凝聚态物理实验研究，特别是致力于探索低维强关联电子系统的新奇物理现象与微观机理。近期主要研究方向包括磁性拓扑绝缘体在极低温强磁场中的量子输运特性研究；利用扫描隧道显微镜、扫描透射电镜和电子谱学技术对高温超导体的微观结构、电子态和配对机理进行研究等。
刘畅，中国人民大学物理学院副教授。研究聚焦低维量子材料、器件与物性领域，以 “极端条件探测 + 材料制备创新” 为核心，在二维材料、磁性材料、拓扑材料等前沿方向做出系统性成果。