拓撲絕緣體二維納米材料的可控制備與物性研究

項目摘要

本項目將著重於拓撲絕緣體二維納米材料的可控制備和物性探討。主要研究材料為Bi2Se3, Bi2Te3, Sb2Te3，通過固-氣機制，利用管式爐，在不同襯底上製備高質量、厚度可控、均一、1QL及以上、形狀規則、大尺寸的二維納米薄片。結合各種實驗手段對拓撲絕緣體進行表征，對拓撲絕緣體二維納米材料表面態新奇的物理性質進行研究、傳導性質進行高精度測量。研究拓撲絕緣體表面態的新奇的物理性質和物理現象，探討因維數效應產生的新奇物理現象，結合理論研究理解拓撲絕緣體的物理機制。按照項目的不同側重點和研究手段的不同，本項目按照材料可控制備、物性研究、傳導性質的高精度測量三個方面展開研究。

結題摘要

拓撲絕緣體是一種全新的量子功能材料，其塊材內部是有帶隙的絕緣態，表面或邊界存在無能隙的金屬態，表現為無質量的狄拉克費米子。拓撲絕緣體（如Bi2Se3，Bi2Te3，Sb2Te3）納米薄片是一種新型準二維晶體，它獨特的二維層狀結構和拓撲保護的表面金屬態顯示出許多優異的物理化學性質。我們立足於解決拓撲絕緣體納米結構的可控制備、物性研究及其套用探索的基本問題，在拓撲絕緣體二維納米材料可控制備、物性研究及其套用探索等方面研究取得了重要進展。具體而言：（1）提出了利用“范德華外延”法生長拓撲絕緣體，建立了兩套生長拓撲絕緣體二維納米薄片的氣相沉積裝置。（2）實現了拓撲絕緣體二維納米材料的層數、疇區尺寸、晶型、及生長位置可控的批量生長，並研究了Raman光譜和拓撲絕緣體納米薄片的層數依賴關係；發展納米結構光電材料的原位表征思路和技術，集材料生長、化學修飾、物性表征和測量技術為一體，了解納米中的結構與器件性能之間的構效關係。（3）利用“掩模版”和“電漿刻蝕”選擇性處理雲母襯底，控制成核位點，實現了拓撲絕緣體Bi2X3單晶納米結構的定點和定向納米陣列的控制生長。發展了普適性的印章法定點生長，實現了拓撲絕緣體二維納米結構陣列的大面積、批量化的定點生長。為拓撲絕緣體的套用奠定了良好的材料基礎。（4）通過同步輻射角分辨光電子能譜（ARPES）直接觀察到管式爐體系製備的拓撲絕緣體二維納米薄片的狄拉克錐形拓撲表面態。（5）實現了外場對拓撲絕緣體二維納米薄片化學勢的調控。（6）對拓撲絕緣體薄膜進行了Hall bar器件加工及低溫輸運測量。獲得了相相干長度、載流子濃度、遷移率等重要參數。探究了不同溫度及高磁場條件下體系各重要物理參數的變化趨勢，包括相相干長度、遷移率等的溫度依賴關係，並解釋了其背後的物理內涵。（7）提出並實現了拓撲絕緣體納米薄片製作柔性透明導電薄膜的思想，率先在柔性透明絕緣的雲母襯底上氣相外延生長出大面積高質量的拓撲絕緣體納米薄片，並發現基於拓撲絕緣體納米結構的透明柔性導電薄膜有著寬波長範圍內的透光性（尤其是近紅外區）、高導電性、很好的抗擾動能力、和出色的柔性，為拓撲絕緣體在光電子和納電子學套用奠定了基礎。共發表SCI檢索學術論文6篇，其中影響影子大於10的論文3篇，占論文總數的50 %，綜述文章2篇，包括Nature Chemistry 1篇、J. Am. Chem. Soc

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