Transition metal dichalcogenides can be epitaxially grown at the single layer limit, which also adopt a variety of structural polymorphs with significantly different electronic properties. Lateral heterostructures of different polymorphs can be further synthesized for emergent functionality. Here, we selectively grow semiconducting 1H and metastable 1T′ phases of WSe2 on epitaxial graphene/SiC(0001) by molecular beam epitaxy and further show that the 1T′ phase is a two-dimensional topological insulator. Using angle-resolved photoemission spectroscopy and scanning tunneling microscopy/spectroscopy, we determine that 1T′–WSe2 exhibits a large bulk bandgap of 120 meV, and edge states at the 1T′–1H lateral heterojunction extend within 1.6 nm from the heterointerface at the 1T′ side. These edge states are robust and persist regardless of the fact that if the edge is (1 × 1) zigzag or (3 × 1) reconstructed, confirming their topological nature. This further facilitates the epitaxial growth of 1T′–1H lateral junction superlattices with multiple helical edge channels, underpinning ultrahigh-density 2D topological nano quantum devices.

1.
M.
Chhowalla
,
H. S.
Shin
,
G.
Eda
,
L.-J.
Li
,
K. P.
Loh
, and
H.
Zhang
,
Nat. Chem.
5
,
263
(
2013
).
2.
H.
Yang
,
S. W.
Kim
,
M.
Chhowalla
, and
Y. H.
Lee
,
Nat. Phys.
13
,
931
937
(
2017
).
3.
K. F.
Mak
,
C.
Lee
,
J.
Hone
,
J.
Shan
, and
T. F.
Heinz
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
136805
(
2010
).
4.
J. M.
Lu
,
O.
Zheliuk
,
I.
Leermakers
,
N. F. Q.
Yuan
,
U.
Zeitler
,
K. T.
Law
, and
J. T.
Ye
,
Science
350
,
1353
1357
(
2015
).
5.
L.
Perfetti
,
T. A.
Gloor
,
F.
Mila
,
H.
Berger
, and
M.
Grioni
,
Phys. Rev. B
71
,
153101
(
2005
).
6.
X.
Qian
,
J.
Liu
,
L.
Fu
, and
J.
Li
,
Science
346
,
1344
1347
(
2014
).
7.
A.
Pant
,
Z.
Mutlu
,
D.
Wickramaratne
,
H.
Cai
,
R. K.
Lake
,
C.
Ozkan
, and
S.
Tongay
,
Nanoscale
8
,
3870
(
2016
).
8.
S.
Manzeli
,
D.
Ovchinnikov
,
D.
Pasquier
,
O. V.
Yazyev
, and
A.
Kis
,
Nat. Rev. Mater.
2
,
17033
(
2017
).
9.
X. L.
Qi
and
S. C.
Zhang
,
Rev. Mod. Phys.
83
,
1057
1110
(
2011
).
10.
M. Z.
Hasan
and
C. L.
Kane
,
Rev. Mod. Phys.
82
,
3045
3067
(
2010
).
11.
M.
König
,
S.
Wiedmann
,
C.
Brüne
,
A.
Roth
,
H.
Buhmann
,
L. W.
Molenkamp
,
X. L.
Qi
, and
S. C.
Zhang
,
Science
318
,
766
770
(
2007
).
12.
C.
Liu
,
T. L.
Hughes
,
X.-L.
Qi
,
K.
Wang
, and
S.-C.
Zhang
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
236601
(
2008
).
13.
C.-C.
Liu
,
W.
Feng
, and
Y.
Yao
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
076802
(
2011
).
14.
Y.
Xu
,
B.
Yan
,
H.-J.
Zhang
,
J.
Wang
,
G.
Xu
,
P.
Tang
,
W.
Duan
, and
S.-C.
Zhang
,
Phys. Rev. Lett.
111
,
136804
(
2013
).
15.
C.
Si
,
J.
Liu
,
Y.
Xu
,
J.
Wu
,
B.-L.
Gu
, and
W.
Duan
,
Phys. Rev. B
89
,
115429
(
2014
).
16.
Z.
Song
,
C.-C.
Liu
,
J.
Yang
,
J.
Han
,
M.
Ye
,
B.
Fu
,
Y.
Yang
,
Q.
Niu
,
J.
Lu
, and
Y.
Yao
,
NPG Asia Mater.
6
,
e147
(
2014
).
17.
J.-J.
Zhou
,
W.
Feng
,
C.-C.
Liu
,
S.
Guan
, and
Y.
Yao
,
Nano Lett.
14
,
4767
4771
(
2014
).
18.
S. M.
Nie
,
Z.
Song
,
H.
Weng
, and
Z.
Fang
,
Phys. Rev. B
91
,
235434
(
2015
).
19.
Y.
Sun
,
C.
Felser
, and
B.
Yan
,
Phys. Rev. B
92
,
165421
(
2015
).
20.
Q.
Xu
,
Z.
Song
,
S.
Nie
,
H.
Weng
,
Z.
Fang
, and
X.
Dai
,
Phys. Rev. B
92
,
205310
(
2015
).
21.
Y.
Ma
,
L.
Kou
,
Y.
Dai
, and
T.
Heine
,
Phys. Rev. B
92
,
085427
(
2015
).
22.
W.
Luo
and
H.
Xiang
,
Nano Lett.
15
,
3230
3235
(
2015
).
23.
H.
Weng
,
A.
Ranjbar
,
Y.
Liang
,
Z.
Song
,
M.
Khazaei
,
S.
Yunoki
,
M.
Arai
,
Y.
Kawazoe
,
Z.
Fang
, and
X.
Dai
,
Phys. Rev. B
92
,
075436
(
2015
).
24.
I.
Knez
,
R. R.
Du
, and
G.
Sullivan
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
136603
(
2011
).
25.
F.
Yang
,
L.
Miao
,
Z. F.
Wang
,
M.-Y.
Yao
,
F.
Zhu
,
Y. R.
Song
,
M.-X.
Wang
,
J.-P.
Xu
,
A. V.
Fedorov
,
Z.
Sun
 et al,
Phys. Rev. Lett.
109
,
016801
(
2012
).
26.
F.
Reis
,
G.
Li
,
L.
Dudy
,
M.
Bauernfeind
,
S.
Glass
,
W.
Hanke
,
R.
Thomale
,
J.
Schäfer
, and
R.
Claessen
,
Science
357
,
287
290
(
2017
).
27.
F.-F.
Zhu
,
W.-J.
Chen
,
Y.
Xu
,
C.
Gao
,
D.
Guan
,
C.
Liu
,
D.
Qian
,
S.-C.
Zhang
, and
J.-F.
Jia
,
Nat. Mater.
14
,
1020
1025
(
2015
).
28.
Z. F.
Wang
,
H.
Zhang
,
D.
Liu
,
C.
Liu
,
C.
Tang
,
C.
Song
,
Y.
Zhong
,
J.
Peng
,
F.
Li
,
C.
Nie
 et al,
Nat. Mater.
15
,
968
973
(
2016
).
29.
P.
Sessi
,
D. D.
Sante
,
A.
Szczerbakow
,
F.
Glott
,
S.
Wilfert
,
H.
Schmidt
,
T.
Bathon
,
P.
Dziawa
,
M.
Greiter
,
T.
Neupert
 et al,
Science
354
,
1269
1273
(
2016
).
30.
S.
Tang
,
C.
Zhang
,
D.
Wong
,
Z.
Pedramrazi
,
H.
Tsai
,
C.
Jia
,
B.
Moritz
,
M.
Claassen
,
H.
Ryu
,
S.
Kahn
 et al,
Nat. Phys.
13
,
683
687
(
2017
).
31.
Z.
Jia
,
Y.
Song
,
X.
Li
,
K.
Ran
,
P.
Lu
,
H.
Zheng
,
X.
Zhu
,
Z.
Shi
,
J.
Sun
,
J.
Wen
,
D.
Xing
, and
S.
Li
,
Phys. Rev. B
96
,
041108(R)
(
2017
).
32.
L.
Peng
,
Y.
Yuan
,
G.
Li
,
X.
Yang
,
J.
Xian
,
C.
Yi
,
Y.
Shi
, and
Y.
Fu
,
Nat. Commun.
8
,
659
(
2017
).
33.
Z.
Fei
,
T.
Palomaki
,
S.
Wu
,
W.
Zhao
,
X.
Cai
,
B.
Sun
,
P.
Nguyen
,
J.
Finney
,
D.
Xu
, and
D. H.
Cobden
,
Nat. Phys.
13
,
677
682
(
2017
).
34.
S.
Wu
,
V.
Fatemi
,
Q. D.
Gibson
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
R. J.
Cava
, and
P.
Jarillo-Herrero
,
Science
359
,
76
79
(
2018
).
35.
P.
Chen
,
W.
Pai
,
Y.-H.
Chan
,
W.-L.
Sun
,
C.-Z.
Xu
,
D.-S.
Lin
,
M. Y.
Chou
,
A.-V.
Fedorov
, and
T.-C.
Chiang
,
Nat. Commun.
9
,
2003
(
2018
).
36.
M. M.
Ugeda
,
A.
Pulkin
,
S.
Tang
,
H.
Ryu
,
Q.
Wu
,
Y.
Zhang
,
D.
Wong
,
Z.
Pedramrazi
,
A.
Martín-Recio
,
Y.
Chen
 et al,
Nat. Commun.
9
,
3401
(
2018
).
37.
L.
Liu
,
Z.
Ge
,
C.
Yan
,
A. D.
Moghadam
,
M.
Weinert
, and
L.
Li
,
Phys. Rev. B
98
,
235304
(
2018
).
38.
P. V.
Nguyen
,
N. C.
Teutsch
,
N. P.
Wilson
,
J.
Kahn
,
X.
Xia
,
A. J.
Graham
,
V.
Kandyba
,
A.
Giampietri
,
A.
Barinov
,
G. C.
Constantinescu
 et al,
Nature
572
,
220
(
2019
).
39.
C.
Zhang
,
Y.
Chen
,
A.
Johnson
,
M.-Y.
Li
,
L.-J.
Li
,
P. C.
Mende
,
R. M.
Feenstra
, and
C.-K.
Shih
,
Nano Lett.
15
,
6494
(
2015
).
40.
A.
Raja
,
A.
Chaves
,
J.
Yu
,
G.
Arefe
,
H. M.
Hill
,
A. F.
Rigosi
,
T. C.
Berkelbach
,
P.
Nagler
,
C.
Schüller
,
T.
Korn
 et al,
Nat. Commun.
8
,
15251
(
2017
).
41.
Y.
Song
,
Z.
Jia
,
D.
Zhang
,
X.
Zhu
,
Z.
Shi
,
H.
Wang
,
L.
Zhu
,
Q.
Yuan
,
H.
Zhang
,
Y.
Xing
, and
S.
Li
,
Nat. Commun.
9
,
4071
(
2018
).
42.
M.
Fujita
,
K.
Wakabayashi
,
K.
Nakada
, and
K.
Kusakabe
,
J. Phys. Soc. Jpn.
65
,
1920
1923
(
1996
).
43.
K.
Nakada
,
M.
Fujita
,
G.
Dresselhaus
, and
M. S.
Dresselhaus
,
Phys. Rev. B
54
,
17954
(
1996
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.