标题:物理所在拓扑绝缘体的实验研究方面取得系列进展
作者:wthwj
日期:2010-09-08 09:58
内容:
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。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。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 ..
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