研究背景
随着材料科学的发展，纳米线（NWs）因其独特的物理和电子特性引起了科学家的广泛关注。这些准一维结构能够通过其独特的电子特性促进特定的器件架构，已在多个科学和技术领域中展现出巨大的应用潜力。然而，纳米线的生长面临诸多挑战，尤其是在控制其晶体结构和元素组成方面。传统的生长方法往往受到严格的几何限制，限制了能够在纳米线形式下生长的化合物种类，从而限制了其功能性。因此，如何在纳米尺度上实现更复杂的材料生长和转化，成为了当前研究的难题。拓扑转换指的是在保持原始晶体结构和取向的情况下，受控地改变晶体的组成。这一过程能够在最小扰动的情况下，将一种材料转化为另一种材料，从而赋予其新的特性。特别是在纳米线领域，拓扑转换可以实现从一种纳米线材料向另一种具有特定特性的材料的转化。然而，目前的研究主要集中在溶液环境中进行的拓扑转换，这种环境为交换过程提供了丰富的离子来源，然而，如何在气-固界面下实现这一过程仍然是一个未解难题。为了解决这一问题，以色列魏茨曼研究Hadas Shtrikman & Haim Beidenkopf教授团队在“Nature Nanotechnology”期刊上发表了题为“Topotaxial mutual-exchange growth of magnetic Zintl Eu3In2As4 nanowires with axion insulator classification”的最新论文。研究者们采用了基于分子束外延（MBE）的原位气-固拓扑互交换生长方法。通过将Eu和As原子蒸发到InAs纳米线上，研究团队实现了壳层中的Eu与核心中的In的相互交换，从而形成了单相的Eu3In2As4壳层，并逐渐消耗InAs核心。 这种相互交换过程是由As基质的亚结构支持的，由于纤锌矿InAs和Zintl Eu3In2As4之间的结构相似性，这一过程具有拓扑性。这一研究不仅成功地实现了InAs纳米线向Eu3In2As4的转化，还证实了Eu3In2As4纳米线在约6.5 K下具有反铁磁转变，并且是一种C2T轴子绝缘体，展示了手性铰链模式和不固定的Dirac表面态。
研究亮点
（1）实验首次将纤锌矿InAs纳米线通过固态拓扑互交换方法转化为Zintl相Eu3In2As4。这一创新方法基于分子束外延技术，将Eu和As原位蒸发到InAs纳米线表面，实现了壳层中的Eu与核心中的In的相互交换，从而在纳米线外部形成单相Eu3In2As4壳层，同时逐渐消耗InAs核心。（2）实验通过在固态环境下进行的拓扑互交换，实现了对Eu3In2As4纳米线的成功合成。这种拓扑互交换过程由As基质的亚结构支持，该基质在纤锌矿InAs和Zintl Eu3In2As4中具有相似性，从而保证了互交换的拓扑性。结果显示，Eu3In2As4纳米线在约6.5 K的奈尔温度下经历了反铁磁转变。 （3）第一性原理计算确认了Eu3In2As4的反铁磁基态，并将其分类为C2T轴子绝缘体，具备手性铰链模式和不固定的Dirac表面态。这一拓扑互交换纳米线的生长方法为探索Eu3In2As4及其他奇异化合物中的复杂磁拓扑现象提供了新途径。
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。
总结展望
本文揭示了固态拓扑互交换技术在纳米线生长中的创新应用。这种技术不仅突破了传统纳米线生长方法在晶体结构和元素组成方面的限制，还为纳米线领域引入了新的研究方向。通过将纤锌矿InAs纳米线转化为Zintl相Eu3In2As4，展示了如何利用分子束外延法中的原位蒸发实现壳层与核心之间的相互交换。这一过程通过As基质的拓扑特性得以支持，从而实现了单相Eu3In2As4壳层的逐步生长。 这种方法不仅能够促进对复杂磁拓扑现象的探索，还可能在其他奇异化合物中实现类似的转化。Eu3In2As4纳米线的反铁磁转变和作为C2T轴子绝缘体的性质，展示了其在手性铰链模式和Dirac表面态方面的潜力。这些发现为纳米线的功能化提供了新的思路，并可能推动纳米材料和器件设计领域的进一步发展，开辟了探索新型磁拓扑材料和器件的广阔前景。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
