拓撲絕緣體和磁性拓撲絕緣體的電子結構研究.pdf

1、拓撲絕緣體是一種內部絕緣，而表面具有有納米級厚度金屬導電層的新型量子材料。其金屬界面態(tài)受時間反演對稱性保護，不受非磁性雜質散射的影響（具有魯棒性），因而在自旋電子學、量子器件等方面有著廣泛的應用前景。掃描隧道顯微鏡（STM）以及在此基礎上發(fā)展而來的自旋極化 STM技術是近二十年來在表面物理和表面磁性研究方面最成功和有效的研究手段之一，其獨特的表面敏感性正適合于研究拓撲絕緣體這類有豐富表面電子特性的物理體系。
　　在本工作中，我們利

2、用STM研究了二維拓撲絕緣體Bi(111)薄膜在三維拓撲絕緣體表面的生長模式以及 Bi(111)一維拓撲邊緣態(tài)；利用自旋極化 STM研究了磁性摻雜拓撲絕緣體表面態(tài)的磁各向異性。具體來說，本論文的工作包括以下三個方面：
　?。?）三維拓撲絕緣體Bi2Se3以及Bi2Te3上超薄Bi薄膜的生長。我們在三維拓撲絕緣體表面上實現(xiàn)了Bi(111)薄膜的逐層（雙層）生長，并結合高能電子衍射對晶格常數(shù)的實時精確測量能力以及STM的微觀形貌分辨能

3、力系統(tǒng)研究了Bi（111）超薄膜的生長特點。我們首先研究了Bi(111)在Bi2Se3表面的生長。Bi(111)體材料表面晶格常數(shù)為4.54?，Bi2Se3表面晶格常數(shù)為4.13?，在Bi2Se3上生長Bi(111)時，由于兩者之間接近9.9％的晶格失配，第一層Bi(111)的晶格被壓縮到了4.21?，然后迅速弛豫到了第二層的4.35?和第三層的4.39?，并從第四層開始緩慢向體材料晶格弛豫。同時，在第二層的生長初期，發(fā)現(xiàn)了從Bi(11

4、0)到Bi（111）的結構相變；在第二、第三層Bi(111)上發(fā)現(xiàn)了具有準六角周期性的原子結構彎曲，其中第二層的周期約為9.9nm，第三層的周期約為6.3nm。Bi(111)與Bi2Te3（表面晶格常數(shù)4.38?）表面晶格更加匹配。在此基礎上，我們進一步研究了Bi（111）在Bi2Te3表面的生長，與Bi2Se3上的情形相比，由于Bi2Te3的晶格（4.38?）更加接近于Bi(111)體材料，在Bi2Te3上第一層Bi(111)薄膜的邊

5、界更平直，飽和覆蓋率更大，且在更高覆蓋率下并沒有出現(xiàn)晶格畸變，只表現(xiàn)出和Bi2Se3上第四層以后相似的生長特征。
　　（2）Bi(111)雙層（BL）膜中一維拓撲邊緣態(tài)的空間和能量分布。鑒于在Bi2Te3表面上 Bi(111)薄膜較好的成膜情況，我們在這個體系中研究了二維拓撲絕緣體 Bi(111)的性質。利用STM隧道能譜測量，我們得到了1BL和2BL的Bi(111)薄膜的電子態(tài)密度在邊緣以及內部的空間、能量分布；結合角分辨光電子

6、能譜和第一性原理計算，我們確認了在邊緣上觀察到的邊緣態(tài)屬于二維拓撲絕緣體 Bi(111)雙原子層結構的拓撲邊緣態(tài)，并得到了拓撲邊緣態(tài)在能量和空間上的分布。實驗表明，拓撲邊緣態(tài)位于Bi(111)帶隙中，但能量分布范圍向低能量區(qū)域有擴展，且在空間上以約1~2nm寬度分布于邊緣。這些都肯定了理論上對Bi(111)能帶結構和拓撲邊緣態(tài)的預言和描述。
　?。?）拓撲表面態(tài)的磁各向異性。我們結合自旋極化STM的表面磁性測量以及振動樣品磁強計(

7、VSM)的體磁性測量，系統(tǒng)研究了熔體法生長的磁性拓撲絕緣體Cr0.05Sb1.95Te3的磁性。體測量表明 Cr0.05Sb1.95Te3的易磁化軸垂直于(111)面，矯頑力為50Gs；難磁化軸在(111)面內，飽和磁場為1T。但自旋極化STM的表面測量除了發(fā)現(xiàn)了與體測量一致的難易軸行為之外，在（111）面內還發(fā)現(xiàn)了矯頑力為500Gs的易軸行為。通過分析能量分辨的表面自旋極化率，我們發(fā)現(xiàn)拓撲表面態(tài)表現(xiàn)出與體磁性不同的磁化行為，即體材料的