拓扑绝缘体的实验研究获系列进展

2010-9-06 12:00 来源: 中国科学院
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  中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)表面物理国家重点实验室马旭村研究员领导的研究组与清华大学物理系薛其坤教授领导的研究组合作,在三维拓扑绝缘体薄膜的外延生长、电子结构及有限尺寸效应方面进行研究,取得一系列进展。  

  拓扑绝缘体是最近几年发现的一种新的物质形态。拓扑绝缘体与普通的绝缘体一样在费米能级附近具有能隙,然而由于其能带特殊的拓扑性质,在其表面或与普通绝缘体的界面上会出现无能隙、自旋劈裂且具有线性色散关系的表面/界面态。这种无能隙表面/界面态的存在完全由材料体能带的性质所决定,因此不像普通材料的表面/界面态那样易于被缺陷和无序所破坏。拓扑绝缘体表面/界面态的这些独特性质使其很有希望应用于自旋电子器件和容错量子计算中,而这两个领域的进展将有可能对信息技术产生革命性的影响。从基础物理研究的角度来讲,拓扑绝缘体与近年的研究热点如量子霍尔效应、自旋霍尔效应以及石墨烯等领域一脉相承,其基本特征都是利用物质中电子能带的拓扑性质来实现各种新奇的物性。因此,拓扑绝缘体一经发现就迅速引起凝聚态物理和材料科学方面的研究者的浓厚兴趣。

  然而,尽管目前在拓扑绝缘体领域已出现了大量理论工作,预言了其中很多重要而有趣的性质和现象,这一领域实验方面上的进展却相对缓慢,远远落后于理论工作。拓扑绝缘体大部分奇异特性还仍然没有被实验观测到。影响拓扑绝缘体实验工作进展的主要挑战有两点:第一,难以获得高质量的拓扑绝缘体样品。以现在研究最多的三维拓扑绝缘体Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3 材料(见中国科学院物理研究所方忠研究组文章【Nature Physics 5, 438 (2009)】)为例,目前利用高温烧结方法所制成的体相单晶样品都具有很大的缺陷密度并被严重掺杂,这导致在费米面附近具有很高的体能带密度,掩盖了拓扑绝缘体表面态的新奇物性。第二,拓扑绝缘体的体相单晶材料难以制备成低维、纳米和异质结构以及各种平面器件。

  马旭村研究组与薛其坤研究组利用分子束外延(MBE)技术,在Si(111)、SiC(0001)、sapphire(0001)等多种衬底上成功制备出了原子级平整、低缺陷密度的高质量三维拓扑绝缘体(Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3)薄膜【见图1(a)、(b)】。原位角分辨光电子能谱(ARPES)测量显示,这些薄膜比起单晶样品具有更少的掺杂,其费米能级处于体能隙之间,接近于本征的绝缘体特征【见图1(c)】。并且通过对薄膜层厚、衬底和生长条件的选择,可以实现对薄膜电子结构和化学势的人工控制。这为拓扑绝缘体的研究和应用打下了很好的材料基础【Advance Material (2010)】。

  基于这种高质量的拓扑绝缘体薄膜,他们与中科院物理研究所方忠研究组、斯坦福大学张首晟研究组、香港大学沈顺清研究组、德克萨斯大学奥斯汀分校牛谦研究组等单位合作,在拓扑绝缘体奇异物理特性的研究上取得了一系列进展。他们通过低温扫描隧道显微镜/扫描隧道谱技术研究了Bi2Te3表面杂质附近的准粒子干涉条纹。通过对干涉条纹的傅里叶分析,发现了拓扑绝缘体的自旋极化表面态所特有的背散射缺失现象【Physical Review Letters 103, 266803 (2009)】。通过研究Bi2Se3薄膜在低温强磁场下的扫描隧道谱,观测到了Bi2Se3表面态的朗道量子化,并发现朗道能级的能量与成正比。这再次证明了拓扑绝缘体表面态的存在及其具有的二维无质量Dirac费米子的特征【Physical Review Letters 105, 076801 (2010)】。

  最近,该合作团队通过对生长条件的深入研究,在SiC(0001)衬底上制备出了宏观面积范围具有单一厚度的Bi2Se3薄膜,并实现了薄膜厚度的逐层控制【见图1(d)】。他们利用ARPES技术,系统研究了Bi2Se3从厚度仅一个QL到几百QL的电子结构的演化(Bi2Se3在z方向单位原胞为一个quintuple layer,简称QL)(见图2)。他们发现,在Bi2Se3薄膜厚度小于6QL时,由于薄膜表面一侧的Dirac表面态会与界面一侧的Dirac表面态的波函数之间发生交叠,使得原来的无能隙表面态上会打开一个能隙。更有趣的是,由于衬底与薄膜电荷转移所导致的薄膜内的能带弯曲,表面态会发生Rashba型的自旋劈裂,而这种自旋劈裂的大小可以通过调控能带弯曲的程度所控制。这项工作表明,在三维拓扑绝缘体薄膜的界面一侧确实存在一个与表面态类似的Dirac表面态,并且利用外加电压人们可以操纵这种材料的电子自旋,这对发展新的自旋电子器件具有指导意义。三维拓扑绝缘体的量子薄膜的成功制备也为理论预言的量子反常霍尔效应、巨大的热电效应、激子凝聚等效应的研究提供了基础。以上结果已发表在【Nature Physics 6, 584 (2010)】,并被Nature China(8月4日)进行了报导。

  上述各项工作得到了国家自然科学基金委和科技部的资助。

  图1:MBE方法制备的50纳米厚的Bi2Se3薄膜的高能电子衍射图(a)、STM形貌图(b)和ARPES谱(c),显示出薄膜具有很高的质量。(d)不同厚度薄膜的垂直方向光电子发射谱,显示出量子阱态随每一个QL的移动,证明了薄膜的逐层生长。

  图2:从1QL到6QL的Bi2Se3薄膜的ARPES谱(a)-(e)和对应的能量分布曲线(EDC)(f)-(h),从中可以清楚地看到狄拉克表面态的能隙打开和Rashba型的劈裂。