王亚愚、薛其坤与陈曦教授研究组在拓扑绝缘体能带结构调控方面取得研究进展

2011年1月01日

王亚愚、薛其坤与陈曦教授研究组在拓扑绝缘体能带结构调控方面取得研究进展 2011-12-14

拓扑绝缘体是近年来凝聚态物理研究的一个新的前沿方向。其表面电子态所呈现的拓扑特性以及在自旋电子学和量子计算方面的可能应用引起了科学家们的广泛关注。目前拓扑绝缘体研究面临的重要挑战是由缺陷而产生的体内载流子对输运性质以及器件研究的影响。最近,我系张金松和常翠祖等多位博士研究生在导师王亚愚、薛其坤和陈曦教授的指导下,与中科院物理所何珂、马旭村研究员紧密合作,开展了对拓扑绝缘体能带结构的调控研究。其基本思路是利用Bi2Te3和Sb2Te3两种结构类似的同族拓扑绝缘体中不同的缺陷类型,采用分子束外延(MBE) 技术合成出 (Bi1-xSbx)2Te3 三元合金薄膜以中和体内载流子并对表面能带结构进行系统调节。原位的角分辨电子谱(ARPES)测量发现随着Sb含量的增加,费米能级逐渐进入体的带隙,继而连续穿过狄拉克点,从而实现本征拓扑绝缘体态和由电子型到空穴型狄拉克费米子的转变。此系统的电磁输运性质与能带结构测量很好的吻合,特别是由霍尔效应测量的载流子浓度估算的表面电子简并度为1,从而证实了其表面电子结构是如理论预言的单个自旋极化的Dirac Cone,即等效于四分之一个石墨烯。

这种能带调控技术不仅可以实现理想的本征拓扑绝缘体,而且可能对表面态的量子输运研究和器件应用产生重要的促进作用。本项工作的结果以“Band structure engineering in (Bi1-xSbx)2Te3 ternary topological insulators”为题发表在12月6日的Nature Communications。