拓撲絕緣體表面態魯棒性的同步輻射和第一性原理研究

《拓撲絕緣體表面態魯棒性的同步輻射和第一性原理研究》是依託南京理工大學，由王曉雄擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：拓撲絕緣體表面態魯棒性的同步輻射和第一性原理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王曉雄
• 依託單位：南京理工大學

項目摘要

拓撲絕緣體因具有性質奇特的表面態而在自旋電子器件、容錯量子計算等領域具有針對性套用。其拓撲序受對稱性保護是非常穩定的，但最新的研究顯示拓撲表面態的色散、自旋結構等卻敏感地依賴於表麵條件。.本項目在前期研究基礎上利用MBE在超高真空系統中製備Bi2Se3等拓撲絕緣體薄膜並在其表面沉積特定原子或分子為探針、利用同步輻射ARPES結合第一性原理計算研究表面態在各類典型作用下的魯棒性和性質演變。通過控制實驗條件氧化拓撲絕緣體薄膜並利用XRD、ARPES研究薄膜原子結構和電子結構演變；在不同厚度的超薄膜表面沉積鹼金屬，利用線偏振光和圓偏振光ARPES研究能帶結構和表面態自旋結構的變化；在薄膜表面沉積自旋軌道耦合效應顯著的金屬原子，利用ARPES和第一性原理研究表面SOC作用對表面態的影響。.通過研究可以系統理解拓撲表面態在各種典型作用下的魯棒性和性質演變，為拓撲絕緣體薄膜器件設計和製作奠定基礎。

結題摘要

拓撲絕緣體具有不同於普通材料的體能帶拓撲性質。它具有由自旋軌道耦合作用引起的能帶反轉所導致的拓撲非平庸特性，與此相對應的是拓撲絕緣體薄膜的表面存在受對稱性保護的、高度自旋極化的無能隙表面態。由於表面態自旋與動量之間的手性關係，表面態電子的背向散射是被禁止的，因此拓撲絕緣體薄膜有望在未來高速、低能耗的自旋電子器件中被加以套用。由於受對稱性保護，表面態具有很高的魯棒性，表面非磁性雜質的微擾都不能將其去除。但是已有一些工作顯示，表面態的性質會隨著表麵條件的不同而發生變化，顯示了拓撲表面態可調控的一面。利用理論和實驗的方法來系統地研究拓撲表面態在各種表面作用下的魯棒性和性質的演化規律對於我們深入了解表面態性質，利用表面修飾來最佳化表面態電子性質，對於促進真實器件的設計是非常有意義的。 在本項目中我們利用基於第一性原理的方法和角分辨光電子能譜等實驗手段研究了以Bi2Se3為代表的拓撲絕緣體薄膜表面電子態在氧化、鹼土金屬沉積、表面自旋軌道耦合效應等情況下表面態的魯棒性和性質演變。結果表明，Bi2Se3薄膜表面氧化後，Dirac點的位置會隨著氧化程度的增加而嚮導帶邊移動，與報導的實驗結果能很好地吻合。Bi2Se3表面沉積Ca原子之後，由於表面態與Ca 4pz軌道的相互作用使得原本自旋簡併的4pz軌道高度自旋極化。自旋極化後的4pz電子在Ca原子層外側形成一層類似自由電子的電荷層，可以作為自旋信號的輸運通道。當金屬層厚度增加時，拓撲表面態與金屬薄膜中的量子阱態相互耦合，使得拓撲平庸的量子阱態也具有了特殊的自旋結構，而且拓撲表面態也演變成了拓撲界面態，這一界面態在金屬層中緩慢衰減，這可以作為自旋流的通道，同時也便於我們利用表面金屬層來最佳化自旋輸運通道的性質。當拓撲絕緣體表面覆蓋絕緣體材料時，覆蓋層的自旋軌道耦合強度會對拓撲界面態的電荷分布、自旋結構、Dirac點位置等產生顯著影響。當表面層的自旋軌道耦合強度剛好達到Dirac半金屬相變點時各項性能達到最優狀態。這一拓撲絕緣體與Dirac半金屬的複合結構非常有希望在自旋電子器件中被加以利用。 通過本項目的研究我們基本掌握了拓撲表面態在氧化、金屬沉積、表面自旋軌道耦合等作用下的魯棒性和性質變化規律，為基於拓撲絕緣體薄膜自旋電子器件的設計、製作提供了有益的參考。