拓扑绝缘体-薛其坤学术报告

薛其坤：攻克量子世界制高点作者：暂无来源：《发明与创新·大科技》 2013年第6期黄昉苨尽管“贵”为清华大学物理系主任，在两个月前的清华校园，薛其坤还不是一个多么引人注意的角色。

不止一个见过他的人表示，几乎听不懂这位中科院院士与别人随口说起的科研内容。

而事实上，他即将开启一个全新的时代。

4月9日，由他领导的来自清华大学、中国科学院物理所与斯坦福大学的科学家们组成的团队宣布，他们从实验中观测到了量子反常霍尔效应。

而这一发现甚至令年过九旬的诺奖得主杨振宁都激动了：“这是一个诺贝尔奖级的成果。

”对普通人而言，“量子反常霍尔效应”不仅是一个让人云里雾里的科学名词，还意味着某种科幻般的未来生活：若这项发现能投入应用，超级计算机将有可能成为iPad大小的掌上笔记本，智能手机内存也许会超过目前最先进产品的上千倍，除了超长待机时间，还将拥有当代人无法想象的快速。

薛其坤团队的最新发现，在科学家眼中是一个极为美妙的现象。

在摆满仪器设备的实验室，清华大学物理系教授王亚愚试图通过一种通俗易懂的方式向外界解释他们的研究。

他手持的笔记本电脑屏幕上播放着动画：一个透明的长方体物件内，许多玫红色小颗粒正在横冲直撞。

“如果这是一个一般的金属材料或者半导体材料，那里面的电子运动是非常无序的。

它们杂乱无章，互相碰撞，这就引起电子器件的速度降低，而且会使能耗增大。

”譬如，尽管有风扇“呼啦呼啦”地吹，工作多时的笔记本电脑却还是热得烫手，反应缓慢得像老牛爬坡。

但这些粒子可以被科学家们“管”起来，顺着一定规律在材料内老老实实地“排队跑步”。

“如果我们在材料上加一个非常强的磁场，电子运动就变得有规律了——它们在材料的两端，像高速公路上的汽车一样，这么反向运动，这时候，电子运动速度就变快了。

”王亚愚解释说。

在上世纪80年代，这种量子霍尔效应被德国物理学家冯·克利青在研究极低温度和强磁场中的半导体时偶然发现。

这一成果让他获得了1985年的诺贝尔物理学奖。

拓扑绝缘体是关键
方晨;唐云江
【期刊名称】《科学世界》
【年(卷),期】2013(000)006
【摘要】量子反常霍尔效应是由清华大学薛其坤院士带领的由清华大学、中科院物理所和美国斯坦福大学等单位组成的研究团队发现的。

我们拜访了薛其坤院士，请他来讲讲什么是量子反常霍尔效应，以及他们是如何发现这个现象的。

【总页数】3页(P11-13)
【作者】方晨;唐云江
【作者单位】不详
【正文语种】中文
【中图分类】O189
【相关文献】
1.拓扑绝缘体中的拓扑不变量及其数值计算
2.高阶拓扑绝缘体和高阶拓扑超导体简介
3.强三维拓扑绝缘体与磁性拓扑绝缘体的角分辨光电子能谱学研究进展
4.高性能太赫兹发射:从拓扑绝缘体到拓扑自旋电子
5.本征磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4电子结构的压力应变调控
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获颁巴克利奖的中国科学院院士薛其坤获得求是杰出科学家奖；2016年获得未来科学大奖物质科学奖；2017年被评为2016年度最具影响力的十大“科技创新人物”；2017年任北京量子信息科学研究院院长；2019年入选“中国海归70年70人”榜单；2020年获得菲列兹·伦敦奖、北京市突出贡献中关村奖、复旦—中植科学奖。

接受媒体采访时,薛其坤自喻为“一艘从沂蒙山区驶出的小船”。

作为山大校友,他还常常是“山大故事”的主角。

薛其坤院士的主要研究项目等国家级和省部级重点项目14项。

获国家科技进步奖二等奖2项、省部级科技进步一等奖5项等荣誉。

获国家发明专利侯凡凡谦逊地说：“中国慢性肾脏病患者数约为1.3亿，肾脏病人数在全球位居前列。

我定当全力以赴，为降低肾脏而拼搏！”方向为扫描隧道显微学、表面物理、自旋电子学、拓扑绝缘量子态和低维超导电性以及各种表面分析手段研究各属、半导体表面晶体结构、化学性质、异/同质结薄膜外延和低维纳米结构的生长动力学和控制。

研究兴趣包括稀磁半导体的分子束外延生长和自旋注入、低维纳米结构的磁性和在自旋电子学中的应用、量子效应对低维纳米结构电子性质的影响（比如催化）等。

截至2011年，薛其坤获国家自然科学二等奖、北京市科学技术一※文/卞文志21演讲等奖和中国青年科技奖等奖项。

2012年12月，薛其坤团队在真实材料中发现了量子反常霍尔效应。

这是新中国成立以来由我国科学家发现的重要科学效应之一。

若这项发现能投入应用，超级计算机将有可能成为iPad大小的掌上笔记本，手机和电脑的内存也许会超过目前最先进产品的上千倍，可以几个月不充电，且使用中不会发热，不会速度变慢。

这项研究成果为未来信息技术革命提供了全新的原理，使我们能做出低能耗晶体管和电子元器件，还可以用它和超导一起去做量子计算机，科幻电影中的强人工智能就可能真正地在现实生活中实现。

2013年，薛其坤带领他的研究团队，在国际上首次实现了“量子反常霍尔效应”。

2013-12-3 08:55 |个人分类:系列科普|系统分类:科普集锦|关键词:量子自旋霍尔效应时间反演 拓扑31.拓扑绝缘体（续）（系列完结篇）上节中介绍的石墨烯，由于它独特的物理性质而引起了人们的兴趣。

它的无质量的相对论性准粒子，被观察到的整数及分数量子霍尔效应，为基础物理研究的许多方面，提供了理论模型和实验依据。

它优异的电子输运性质，又使其在自旋电子学等工程领域可能得到广泛的实际应用。

图31.1列出了石墨烯及量子霍尔态等几种物态在费米能级附近的能带图。

从图31.1中的（a）和（b），我们可以看到双层和单层碳原子结构能带形状的不同。

前者是抛物线型接触，而后者是线性的。

（必须提醒注意的是，我们所说的这两种石墨烯能带图都是指在二维空间中能无限延伸的理想晶体之能带图。

）那么，量子霍尔态的能带形状又如何呢？图31.1：两种石墨烯及量子霍尔态等能带图之比较图31.1c是量子霍尔态的能带示意图。

它的导带及价带在费米能级附近的形状，接近抛物线，类似于普通绝缘体。

但是，我们在上一节中也说过，量子霍尔态体内虽然是绝缘体，但它们由于边缘态的存在而导电。

在图中，量子霍尔态的边缘态是一条连接导带和价带的直线。

因此，量子霍尔态在低能态附近的行为，和石墨烯相仿，能量和动量的关系也是线性的，也存在无质量的相对论性准粒子。

因为量子霍尔态的实现需要强大的外磁场，由此人们将兴趣转向不需要磁场的量子自旋霍尔效应，并且在实验室里已经多次观察到了此种现象。

对量子自旋霍尔态而言，不同的自旋有不同的边界态，因此，拓扑绝缘体简介在图31.1d所示的自旋霍尔态能带图中，有两条直线连接导带和价带，它们分别对应于自旋上和自旋下的边缘电流。

这种情形下的能带图，看起来与理想石墨烯的能带图更为类似了。

普通的绝缘体，也可能产生边缘态而形成边缘导电，但却和前面两种情形下的边缘态有本质的区别。

图31.1e画出了普通绝缘体的能带。

图中的边缘态曲线与费米能级相交，意味着在此绝缘体中可以存在边缘电流。

拓扑绝缘体简介作者：吕衍凤， 陈曦， 薛其坤， Lü Yanfeng， Chen Xi， Xue Qikun作者单位：低维量子物理国家重点实验室,清华大学物理系,北京100084刊名：物理与工程英文刊名：Physics and Engineering年，卷(期)：2012,22(1)参考文献(22条)1.E.H.Hall查看详情[外文期刊] 18792.K.v.Klitzing;G.Dorda;M.Pepper查看详情[外文期刊] 19803.D.J.Thouless;M.Kohmoto;M.P.Nightingale;M.den Nijs查看详情[外文期刊] 19824.M.Z.Hasan;C.L.Kane查看详情 20105.X.-L.Qi;S.-C.Zhang查看详情 20106.C.L.Kane;E.J.Mele查看详情[外文期刊] 20057.B.A.Bernevig;T.L.Hughes;S.-C.Zhang Quantum spin Hall effect and topological phase transition in HgTe quantum wells[外文期刊] 2006(5806)8.M.K(o)nig;S.Wiedmann;C.Brune;A.Roth,H.Buhmann,L.W.Molenkamp,X.-L.Qi,S.-C.Zhang Quantum Spin Hall Insulator State in HgTe Quantum Wells[外文期刊] 2007(5851)9.L.Fu;C.L.Kane;E.J.Mele查看详情[外文期刊] 200710.D.Hsieh;D.Qian;L.Wray;Y.Xia,Y.S.Hor,R.J.Cava,M.Z.Hasan A topological Dirac insulator in a quantum spin Hall phase.[外文期刊] 2008(7190)11.D.Hsieh;Y.Xia;L.Wray;D.Qian,A.Pal,J.H.Dil,J.Osterwalder,F.Meier,G.Bihlmayer,C.L.Kane,Y.S.Hor,R.J.Cav a,M.Z.Hasan查看详情 200912.H.J.Zhang;C.X.Liu;X.L.Qi;X.Dai,Z.Fang,S.-C.Zhang查看详情 200913.Y.Xia;D.Qian;D.Hsieh;L.Wray,A.Pal,H.Lin,A.Bansil,D.Grauer,Y.S.Hor,R.J.Cava,M.Z.Hasan查看详情[外文期刊] 200914.J.Moore查看详情 200915.Y.L.Chen;J.G.Analytis;J.-H.Chu;Z.K.Liu,S.-K.Mo,X.L.Qi,H.J.Zhang,D.H.Lu,X.Dai,Z.Fang,S.C.Zhang,I.R.Fisher,Z.Hussain and Z.X.Shen查看详情 2009 16.Y.Y.Li;G.Wang;X.G.Zhu;M.H.Liu,C.Ye,X.Chen,Y.Y.Wang,K.He,L.L.Wang,X.C.Ma,H.J.Zhang,X.Dai,Z.Fang,X.C.X ie,Y.Liu,X.L.Qi,J.F.Jia,S.C.Zhang and Q.K.Xue查看详情 201017.T.Zhang;P.Cheng;X.Chen;J.F.Jia,X.C.Ma,K.He,L.L.Wang,H.J.Zhang,X.Dai,Z.Fang,X.C.Xie and Q.K.Xue查看详情 200918.P.Cheng;C.L.Song;T.Zhang;Y.Y.Zhang,Y.L.Wang,J.F.Jia,J.Wang,Y.Y.Wang,B.F.Zhu,X.Chen,K.He,L.L.Wang,X.D ai,Z.Fang,X.C.Xie,X.L.Qi,C.X.Liu,S.C.Zhang and Q.K.Xue查看详情[外文期刊] 201019.R.Yu;W.Zhang;H.J.Zhang;S.C.Zhang,X.Dai Z.Fang查看详情[外文期刊] 2010regime[外文期刊] 2008(1)21.L.Fu;C.L.Kane查看详情[外文期刊] 200922.J.C.Y.Teo;C.L.Kane查看详情[外文期刊] 2009引用本文格式：吕衍凤.陈曦.薛其坤.Lü Yanfeng.Chen Xi.Xue Qikun拓扑绝缘体简介[期刊论文]-物理与工程2012(1)。

拓扑物态研究的现状与趋势吴根;王兵;陈卓敏;杨涛【期刊名称】《科技中国》【年(卷),期】2018(000)004【总页数】5页(P10-14)【作者】吴根;王兵;陈卓敏;杨涛【作者单位】科技部高技术研究发展中心;西安交通大学;复旦大学;西北大学【正文语种】中文拓扑物态的发现对整个物理学的发展产生了深远的影响。

这些全新拓扑物性的出现有望彻底颠覆现有的电子、信息与半导体技术，从而推动整个社会跨越式进步。

本报告在对拓扑物态领域国内外研究动态以及我国发展现状分析的基础上，总结了拓扑物态研究中形成的高效研究模式，并对如何强化和发展这种研究模式提出思考。

一、关于拓扑物态1. 定义与内涵拓扑物态是由量子效应导致的与某些拓扑性质相联系的新物态。

拓扑物态是物理学角度的物态分类中的一种，是指具有一定拓扑特性的物质状态会因其拓扑特性而呈现出特殊的，甚至是全新的物理性质，是拓扑学概念在物理系统中的体现。

凝聚态物理的主要研究内容就是发现并描述新物态，研究其相变的过程、现象和规律。

物质的状态丰富多彩，如何分类并正确描述，是核心的科学问题。

在拓扑物态被发现前，科学家们认为几乎所有的物态都可以用“对称性”和某种“局域序参量”来描写，而物态转变（相变）的过程都伴随着“对称性破缺”，这种观点延续了半个多世纪。

拓扑物态的发现（特别是量子霍尔效应的发现）彻底颠覆了这种观点。

有一大类全新的物态——拓扑物态，不能仅用对称性的观点描述，其相变过程也没有必要伴随对称性的破缺。

要正确描述这类物态，必须用到数学中“拓扑”“拓扑不变量”及“拓扑类”的概念。

这为我们认识物质世界提供了一个全新的视角。

2.研究拓扑物态的意义拓扑物态研究是近10年来凝聚态物理领域内最为重要和快速发展的前沿热点之一，其影响力已从凝聚态物理研究辐射到整个物理学，乃至化学、材料学、信息学、生物学、电子技术、半导体技术、能源技术等广阔的领域。

拓扑物态的出现给我们带来了全新的丰富拓扑物性，例如：拓扑边界态、手征对称性、无耗散、非定域响应、拓扑保护等等，有些特性是在以前的凝聚态物理研究中从未遇到的。

物理学本科毕业论文自19世纪启蒙运动以来,严格的社会科学理论才真正建立。

但是社会科学的萌芽,诞生的过程与发展的脉络却可以遍及人类文明的整个历程,尤其是与相对其他学科而言建立最早,发展最完善的学科——物理学。

下面是店铺为大家推荐的物理学本科毕业论文，欢迎浏览。

物理学本科毕业论文篇一摘要：论述了X射线的发现，不仅对医学诊断有重大影响，还直接影响20世纪许多重大发现;半导体的发明，使微电子产业称雄20世纪，并促进信息技术的高速发展，物理学是计算机硬件的基础;原子能理论的提出，使原子能逐步取代石化能源，给人类提供巨大的清洁能源;激光理论的提出及激光器的发明，使激光在工农业生产、医疗、通信、军事上得到广泛应用;蓝光LED的发明，将点亮整个21世纪。

事实告诉我们，是物理学推动科技创新，由此得出结论：物理学是科技创新的源泉。

昭示人们，高校作为培养人才的场所，理工科要重视大学物理课程。

关键词：X射线;半导体;原子能;激光;蓝光LED;科技创新;大学物理1引言物理学是一门研究物质世界最基本的结构、最普遍的相互作用以及最一般的运动规律的科学[1-3]，其内容广博、精深，研究方法多样、巧妙，被视为一切自然科学的基础。

纵观物理学发展历史可以发现：其蕴含的科学思维和科学方法能够有效促进学生能力的培养和知识的形成，同时，其每一次新的发现都会带动人类社会的科技创新和科技发展。

正因如此，大学物理成为了高等学校理、工科专业必修的一门基础课程。

按照教育部颁发的相关文件要求[4-5]，大学物理课程最低学时数为126学时，其中理科、师范类非物理专业不少于144学时;大学物理实验最低学时数为54学时，其中工科、师范类非物理专业不少于64学时。

然而调查显示，众多高校(尤其是新建本科院校)并没有严格按照教育部颁发的课程基本要求开设大学物理及其实验课程。

他们往往打着“宽口径、应用型”的晃子，大幅压缩大学物理和大学物理实验课程的学时，如今，大学物理及其实验课程的总学时数实际仅为32-96学时，远远低于教育部要求的最低标准(180学时)。

拓扑绝缘体及其前景作者：王鑫来源：《新教育时代·学生版》2016年第06期摘要：拓扑绝缘体是当前凝聚态物理和材料科学研究的热门课题，其独特的电子态结构使其在自旋电子器件和量子计算机等领域拥有巨大的应用潜力。

拓扑绝缘体是一种新的量子物质态，完全不同于传统意义上的金属和绝缘体，其体电子态是有能隙的绝缘态，表面态则是无能隙的金属态。

由于强自旋轨道耦合作用，表面态受到体能带结构的时间反演对称保护，不易受到体系中缺陷和杂质的影响。

阐述了反常霍尔效应、量子霍尔效应、三维拓扑绝缘体，同时总结和展望了其发展前景。

关键词：反常霍尔效应表面电子态拓扑绝缘体材料根据不同电子态的拓扑性质可以区分为“绝缘体”和“金属”。

拓扑绝缘体不同于一般的绝缘体，是物质的一种新的量子物质态，电子态是有能隙的绝缘体态，其表面是无间隙的金属态。

拓扑绝缘体的内部是绝缘的，但总有其边界或表面边缘状态的传导。

拓扑绝缘体这个特殊的电子结构，是通过能带结构的特殊拓扑性质决定的。

绝缘态是电子态的一种状态，但在表面具有导电通道且与自旋相关，这意味着该拓扑绝缘体在自旋电子学方面具有潜在的前景。

一、拓扑能带理论绝缘态是物质最基本的状态，原子绝缘体是最简单的绝缘体，在原子密闭的壳体内电子被困住。

这样的材料的电子是惰性的，因为它需要能量来使电子转移，在晶体的相互影响下产生共价键。

能带理论利用了晶体的平移对称性，在绝缘态中，有一个能隙将导带和价带完全隔开。

可以想象优化哈密顿，使它在没有靠拢能隙的情况下，插入两者之间。

这样一个过程定义了一个拓扑平衡之间不同的绝缘状态。

量子霍尔效应是霍尔效应的量子对应，是整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的统称。

如果磁场足够强，温度足够低时，材料内的电子被局域化为朗道的离散能级，形成绝缘的完整状态。

此时，材料边界仍可以导电，形成无“背向散射”的导电通道，从而导致量子霍尔效应的出现。

二、量子自旋霍尔绝缘体金属磁性材料中零磁场的霍尔效应称为反常的霍尔效应。

反常霍尔效应，量子霍尔效应，拓扑绝缘体反常霍尔效应：1880年Edwin Hall在一个具有铁磁性的金属平板中发现，即使是在没有外加磁场的情况下(或弱外场)，也可以观测到霍尔效应。

这种铁磁性材料中的霍尔效应后来被称之为反常霍尔效应。

虽然反常霍尔效应与正常霍尔效应看起来非常相似，但是其物理本质却有着非常大的差别，这主要是因为在没有外磁场的情况下不存在着外场对电子的轨道效应。

最近几年的研究进展认识到反常霍尔效应的出现直接与材料中的自旋-轨道耦合及电子结构的Berry 相位有关。

在具有自旋-轨道耦合并破坏时间反演对称性的情况下，材料的特殊电子结构会导致动量空间中非零Berry相位的出现，而该Berry相位的存在将会改变电子的运动方程，从而导致反常霍尔效应的出现。

这是通常所说的反常霍尔效应“本征机制”。

（1）量子霍尔效应：量子霍尔效应是霍尔效应的量子对应。

在正常霍尔效应的基础上，如果外加磁场足够强、温度足够低，材料体内的所有电子都被局域化到了分立的朗道能级上，形成一个完全绝缘的状态。

然而这时，材料的边界仍然可以导电，形成一些没有“背散射”的导电通道(也就是不受杂质散射影响的理想导体)，从而导致量子霍尔效应的出现。

拓扑绝缘体：量子霍尔效应是一种全新的量子物态---拓扑有序态。

凝聚态物质中的各种有序态的出现一般都伴随着某种对称性的破缺，同时伴随有局域序参数及其长程关联的出现。

而在量子霍尔效应中不存在局域的序参量，对该物态的描述需要引入拓扑不变量的概念，所以称之为拓扑绝缘体。

对于量子霍尔效应而言，该拓扑不变量就是整数的Chern-number。

(5)一个对拓扑绝缘体不太精确的定义是：1.其体块(bulk)是一个绝缘体，或者说能谱中有能隙2.有无能隙的手征(chiral)边缘态，边缘态是topologically protected的：即便有杂质，有相互作用，只要不关闭bulk的能隙就不会影响边缘态的性质。

或者说，要破坏边缘态，一定要经过一个量子相变。

拓扑绝缘体在热电效应中的应用吴超;王海艳【摘要】拓扑绝缘体在热电转换中的应用是当今材料物理和凝聚态物理研究的前沿课题.论文综述了热电效应机理、拓扑绝缘体相,以及拓扑绝缘体和热电效应的关联;结合最新的研究文献,从物理机理的角度,阐明如何提高热电转换因子,目前存在什么困难,以及计算和实验的方法和手段.【期刊名称】《宜春学院学报》【年(卷),期】2018(040)003【总页数】6页(P1-6)【关键词】拓扑绝缘体;热电转换因子;带隙;态密度;迁移率;电导;热导;自旋轨道耦合【作者】吴超;王海艳【作者单位】宜春学院物理科学与工程技术学院,江西宜春336000;宜春学院物理科学与工程技术学院,江西宜春336000【正文语种】中文【中图分类】O469在2013年国际能源展望会议中[1]，相关资料显示能源的80%来自于生化能源，如煤、石油、天然气等传统化学能源、核能等等，伴随能源的消耗，2040年二氧化碳的排放量将比1990年排放量增长近46%，这样一方面影响能源的可持续发展，另一方面也将引起全球环境问题，如温室效应导致的全球气温升高和海平面上升等等。

所以大量的研究倾向于寻找可以替代的绿色能源，由此也引发了相关课题组的探索工作，如有效利用太阳能的探索、发展氢能源、寻找优质光伏能源材料和热电转换材料等等。

而人们在很早就发现，热电效应可以很好的实现热和电的相互转换，科学家也致力于寻找出更好的热电转换材料，这也是材料物理和凝聚态物理的重要研究热点之一[2]。

1 热电效应(TE)1.1 热电效应的机理图1 塞贝克效应、帕尔贴效应及热电工作装置图热电效应由三部分构成，塞贝克效应、帕尔贴效应和汤姆逊效应。

基于这些效应，人们可以将热能转换为电能或进行热电制冷，如利用工业余热进行废热或低品质热源进行温差发电，制造便携式热电冷却装置，热控汽车椅，红外线夜视仪，火星探测器，汽车废热自动回收装置，宇宙深度空间探索等。

在材料的热电转换研究中，热电转换效率依赖于热电转换因子ZT，而ZT又是由一系列相互冲突的参数进行组合，其表达式如下：(1)其中σ为电导率，S为塞贝克系数，T为绝对温度，κ为热导率。

干货来了！听首届未来科学大奖-物质科学奖获奖人薛其坤讲神奇的量子世界今天，我给大家汇报的题目是“神奇的量子世界”，包括三个方面：首先，跟各位介绍一下量子世界的基本概念和我们研究量子世界所需要的基本工具；第二，以我这次获奖的主要成果和我们的研究历程，向大家展示一下量子世界的神奇和微妙；第三，给年轻人一点感想和做一些简单的展望。

我们每天生活的宏观世界大家都非常了解。

描述宏观世界经典物理学规律的基本规律就是牛顿力学，即牛顿的三大定律，最重要的是牛顿运动方程。

在经典世界还有一个电磁学的经典规律，就是欧姆定律。

导线中通过的电流与加在导线两端电压V成正比，与导线电阻成反比。

这个电阻会导致我们导线发热，发热的大小热量Q等于电流平方乘以电阻和用的时间T。

如果导线电阻越大消耗能量越多，所以我们一般会选择比较便宜的铜线。

金导电很好，电阻非常小，但是金很贵，都用来给女士们做戒指了。

但到了量子力界，牛顿运动方程不再起作用，而是波动方程起作用。

从连续的变化到量子的微观世界，我们很多的物理量，很多的操作器件用的参数都和经典的世界不一样，这时候会出现一系列奇妙的现象，甚至是诡异的现象。

第一个已经用到我们生活里的就是电子穿墙术。

这时电子的流动不再遵守欧姆定律。

这就像一个人，把我变成一个微观电子，我会穿过铜墙铁壁到外边去，而我这个人毫发无损，在量子力学上这叫电子的量子隧穿。

还有我们今天获奖的内容之一，量子霍尔效应、超导、超流。

1981年的时候，由瑞士两个科学家Binnig和Rohrer，利用电子量子隧穿发明了扫描隧道显微镜，五年之后的1986年他们获得了诺贝尔物理奖。

扫描隧道显微镜STM给我们提供了一个强大观察微观世界最明亮的眼睛，我们可以看到原子。

想研究微观世界的量子世界必须有合适的工具，扫描隧道显微镜就是这样一个工具，而它依据的原理就是我刚才提到非常诡异的电子穿墙术。

我用的主要实验工具之一就是这个用到神秘的量子隧穿原理的扫描隧道显微镜。

朴实、勤奋、不屈的大师1——记中国著名材料物理学家薛其坤先生摘要：薛其坤，中国材料物理专家。

中国科学院物理研究所研究员、清华大学教授、清华大学校长助理、科研院院长。

2013年4月，其领衔的中国团队首次在实验中发现量子反常霍尔效应，这被著名物理学家杨振宁称之为“诺贝尔奖级”的科研成果2。

本文通过介绍其成长、科研经历，结合笔者自己与薛先生的接触，展现了当代科研巨匠的传奇人生。

关键词：薛其坤量子反常霍尔效应勤奋不屈团队精神1.引言薛其坤，中国材料物理专家。

主要研究方向为扫描隧道显微学、表面物理、自旋电子学、拓扑绝缘量子态和低维超导电性等。

2013年4月，其领衔的中国团队首次在实验中发现量子反常霍尔效应，这被著名物理学家杨振宁称之为“诺贝尔奖级”的科研成果。

本文将结合笔者在2013年7月份3、8月份4、10月份5的三次成才讲座中的感悟，从求学经历、学术成就、思想精神、优秀品质等方面介绍这位当代中国的科研巨匠。

2.求学经历2.1学术历程薛其坤1984年毕业于山东大学光学系激光专业，1994年在中国科学院物理研究所获得1笔者于2013年7月底、8月底、10月初先后三次聆听了薛其坤先生的讲座，并在讲座后和薛先生做过简短交流，对薛先生的科研经历、伟大的科研精神十分敬佩，有感而发写下此文作为科学技术史讲座的期末论文。

2清华大学薛其坤院士团队获“诺贝尔奖级”重大科研发现，新华网，2013年4月12日。

3此处指2013年7月23日薛先生为清华大学青少年科学营在蒙民伟音乐厅做的成才报告。

笔者当时作为临时志愿者前往聆听。

4此处指2013年8月底薛先生为所有入学新生在综合体育馆做的成才报告。

5此处指2013年10月9日薛先生在6教C300做的题为“走向不惑——我的求学之路”的精彩报告。

博士学位。

1992年至1999年先后在日本东北大学金属材料研究所和美国北卡莱罗纳州立大学物理系学习和工作。

1999年至2007年任中国科学院物理研究所研究员，1999年至2005年任表面物理国家重点实验室主任。

本科毕业论文〔本科毕业设计题目：新型拓扑绝缘材料的研究摘要拓扑绝缘体是一种新的量子物态，为近几年来凝聚态物理学的重要科学前沿之一，已经引起的巨大的研究热潮。

拓扑绝缘体具有新奇的性质，虽然与普通绝缘体一样具有能隙，但拓扑性质不同，在自旋一轨道耦合作用下，在其外表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外表/界面态。

这些态受时间反演对称性保护，不会受到杂质和无序的影响，由无质量的狄拉克(Dirac)方程所描述。

从广义上来说，拓扑绝缘体可以分为两大类：一类是破坏时间反演的量子霍尔体系，另一类是新近发现的时间反演不变的拓扑绝缘体，这些材料的奇特物理性质存在着很好的应用前景。

理论上预言，拓扑绝缘体和磁性材料或超导材料的界面，还可能发现新的物质相和预言的Majorana费米子，它们在未来的自旋电子学和量子计算中将会有重要应用。

拓扑绝缘体还与近年的研究热点如量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应等领域紧密相连，其根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理性质。

关键词：拓扑绝缘体，量子霍尔效应，量子自旋霍尔效应，Majorana费米子AbstractIn recent years, one of the important frontiers in condensed matter physics, topological insulators are a new quantum state, which has attract many researchers attention. Topological insulators show some novel properties, although normal insulator has the same energy gap, but topological properties are different. Under the action of spin-orbit coupling interaction, on the surface or or with normal insulator interface will appear gapless, spin-splitting and with the linear dispersion relation of surface or interface states. These states are conserved by the time reversal symmetry and are not affected by the effect of the impurities and disorder, which is described by the massless Dirac equation. Broadly defined, topological insulators can be separated into two categories: a class is destroy time reversal of the quantum Hall system, another kind is the newly discovered time reversal invariant topological insulators, peculiar physical properties of these materials exist very good application prospect. Theoretically predicted, the interface of topological insulators and magnetic or superconducting material, may also find new material phase and the prophecy of Majorana fermion, they will have important applications in the future spintronics and quantum computing . Topological insulators also are closely linked with the research hotspot in recent years, such as the quantum Hall effect, quantum spin Hall effect and other fields. Its basic characteristics are to achieve a variety of novel physical properties by using the topological property of the material of the electronic band.Keywords:Topological insulator;quantum hall effect;quantum spin-Hall effect;Majorana fermion目录引言 (1)第一章拓扑绝缘体简介 (2)1.1 绝缘体、导体和拓扑绝缘 (2)1.2 二维拓扑绝缘体 (3)1.3三维拓扑绝缘体 (3)第二章拓扑绝缘体的研究进展与现状 (5)2.1拓扑绝缘体研究进展 (5)2.2拓扑绝缘体的研究现状 (5)第三章拓扑绝缘体材料的制备方法与特性 (7)3.1 拓扑绝缘体Bi Se的结构 (7)233.2 拓扑绝缘体的制备Bi Se的制备 (8)233.3 SnTe拓扑晶态绝缘体制备 (8)3.4拓扑绝缘体的特性 (9)结论 (10)参考文献 (11)谢辞 (13)引言拓扑绝缘体是一种新的量子物态，为近几年来凝聚态物理学的重要科学前沿之一，已经引起的巨大的研究热潮。

中国最接近诺贝尔物理学奖的一次发现2013年3月14日，美国《科学》杂志在线发布了一则轰动科学界的新闻：由清华大学薛其坤院士领衔、清华大学物理系和中科院物理研究所组成的实验团队从实验上首次观测到量子反常霍尔效应。

著名美籍华裔物理学家、诺贝尔物理学奖获得者杨振宁甚至激情澎湃地宣称：“此次成果是从中国的实验室里，第一次发表出了诺贝尔奖级的物理学论文，不仅是科学界的喜事，也是整个国家的喜事。

”实验结果公布后，薛其坤曾应邀去日本作学术报告，日本科学家给他发来了邮件，称赞“这是我在过去十年里听到的最好的学术报告，我们真没有想到你们最终发现了这一美妙现象”。

另一位美国知名物理学家也向课题组发来邮件，“看到你们的结果，我真感觉有些嫉妒。

但回过头想起来，这个工作巨大的难度也确实让我们叹为观止。

”如果说，以上都是个人发表的评论，有些主观，不够说服力，可以看看美国《科学》杂志的匿名评审给出的评价，“这篇文章结束了对量子反常霍尔效应多年的探寻，这是一项里程碑式的工作。

我祝贺文章作者们在拓扑绝缘体研究中作出的重大突破。

”到底这个量子反常霍尔效应有多么神奇，引得众人围观并获得如此称赞，这还要从19世纪末说起。

1879年美国物理学家霍尔发现如果对通电的导体加上垂直于电流方向的磁场，电子的运动轨迹将产生偏转，这个电磁现象被称为“霍尔效应”。

霍尔效应是针对电子级别的一种微观粒子的物理现象，但值得注意的是，在当时，电子并没有被科学家发现。

①1980年德国科学家冯·克利青发现整数量子霍尔效应，获得1985年诺贝尔物理学奖，1982年美国科学家崔琦和施特默发现分数量子霍尔效应，获得1998年获得诺贝尔物理学奖。

综上，就知道杨振宁为什么对量子反常霍尔效应的发现如此震惊和不吝赞誉了。

量子霍尔效应不仅仅是高大上的理论，它跟我们的生活息息相关，尤其是现如今，各种各样五花八门的电器已经完全占据了我们的生活。

手机、电脑、电视，无所不在。

拓扑绝缘体二维纳米结构与器件李辉;彭海琳;刘忠范【摘要】拓扑绝缘体是一种全新的量子功能材料,具有绝缘性体能带结构和受时间反演对称性保护的自旋分辨的金属表面态,属于Dirac粒子系统,将在新原理纳电子器件、自旋器件、量子计算、表面催化和清洁能源等方面有广泛的应用前景。

理论和实验相继证实Sb2Te3, Bi2Se3和Bi2Te3单晶具有较大的体能隙和单一Dirac 锥表面态,已经迅速成为了拓扑绝缘体研究中的热点材料。

然而,利用传统的高温烧结法所制成的拓扑绝缘体单晶块体样品常存在大量本征缺陷并被严重掺杂,拓扑表面态的新奇性质很容易被体载流子掩盖。

拓扑绝缘体二维纳米结构具有超高比表面积和能带结构的可调控性,能显著降低体态载流子的比例和凸显拓扑表面态,并易于制备高结晶质量的单晶样品,各种低维异质结构以及平面器件。

近年来,我们一直致力于发展拓扑绝缘体二维纳米结构的控制生长方法和物性研究。

我们发展了拓扑绝缘体二维纳米结构的范德华外延方法,实现了高质量大比表面积的拓扑绝缘体二维纳米结构的可控制备,并实现了定点与定向的表面生长。

开展拓扑绝缘体二维纳米结构的谱学研究,利用角分辨光电子能谱直接观察到拓扑绝缘体狄拉克锥形的表面电子能带结构,发现了拉曼强度与位移随层数的依赖关系。

设计并构建拓扑绝缘体纳米结构器件,系统研究其新奇物性,观测到拓扑绝缘体Bi2Se3表面态的Aharonov-Bohm (AB)量子干涉效应等新奇量子现象,通过栅电压实现了拓扑绝缘体纳米薄片化学势的调控,并将拓扑绝缘体纳米结构应用于柔性透明导电薄膜。

本文首先简单介绍拓扑绝缘体的发展现状,然后系统介绍我们开展的拓扑绝缘体二维纳米结构的范德华外延生长、谱学、电学输运特性以及透明柔性导电薄膜应用的研究,最后对该领域所面临的机遇和挑战进行简要的展望。

%10.3866/PKU.WHXB201208312【期刊名称】《物理化学学报》【年(卷),期】2012(000)010【总页数】13页(P2423-2435)【关键词】拓扑绝缘体;狄拉克费米子;纳米结构;范德华外延;柔性透明导电薄膜【作者】李辉;彭海琳;刘忠范【作者单位】北京大学化学与分子工程学院,北京大学纳米化学研究中心,北京100871; 中国科学院电工研究所,中国科学院太阳能热利用及光伏系统重点实验室,北京100190;北京大学化学与分子工程学院,北京大学纳米化学研究中心,北京100871;北京大学化学与分子工程学院,北京大学纳米化学研究中心,北京100871【正文语种】中文【中图分类】O641拓扑绝缘体是一类正在凝聚态物理、固体化学与材料领域掀起科学风暴的“明星”材料.1-3作为一种全新的量子物质,拓扑绝缘体不同于传统意义上的绝缘体和金属,其体材料是有能隙的绝缘体,而其表面是无能隙的金属态.4-10因内禀的自旋轨道相互作用,拓扑绝缘体的金属性表面态与因表面未饱和键或者是表面重构导致的表面态不同,具有线性色散关系且自旋与动量满足特定的手性关系.拓扑表面态形成一种无有效质量的二维电子气,受到很严格的拓扑保护,不会因为外来的扰动而失去金属性,具有独特的自旋和输运性质,载流子可在表面无散射、无能量损耗地传导.在基础物理研究上,拓扑绝缘体可以用来探索和发现新奇的量子效应,如量子化的反常霍尔效应、马拉约那(Majorana)费米子等.4,5此外,拓扑绝缘体可以用来发展未来新型量子功能材料,将在新原理纳电子器件、自旋电子器件、自容错的拓扑量子计算、表面催化及清洁能源等方面有着巨大的应用前景.1-5因此,在短短几年内,拓扑绝缘体的研究正在世界范围内蓬勃兴起.量子自旋霍尔相和狄拉克费米子这两个奇异的量子相在拓扑绝缘体中是高度耦合的.4-6通过对具有自旋-轨道耦合作用的样品施加纵向电场,会产生横向自旋流,即自旋向上和向下的电子分别沿横向相反的方向运动,从而在横向边界产生自旋积累,这种自旋也会产生量子霍尔效应,这就是量子自旋霍尔效应.6,10,11拓扑绝缘体内禀的自旋轨道相互作用起到了类似外场的作用,导致自旋流在表面无散射的传导(图1A和1B).2006年,斯坦福大学的Zhang等6首先提出在二维拓扑绝缘体HgTe/CdTe量子阱体系可以实现量子自旋霍尔效应的理论预言.2007年,量子自旋霍尔效应在HgTe/CdTe量子阱器件上得到实验证实,10这一科研成果被Science 杂志评为2007年十大科学进展之一.随后,研究人员用电压探针证明自旋电流可在HgTe/CdTe量子阱样品的边界出现,而且无需外界施加的磁场.12继二维拓扑绝缘体之后,Kane,7Moore8和Zhang9等小组分别独立地理论预言了兼具绝缘体态和金属表面态的三维拓扑绝缘体的存在.其中Kane等13预测了Bi1-xSbx合金是三维拓扑绝缘体.2008-2009年,普林斯顿大学的Hasan小组14,15率先从实验上证实了Bi1-xSbx合金具有三维拓扑绝缘体的性质.他们利用角分辨光电子能谱研究了Bi1-xSbx合金的体能带和表面能带结构,发现Bi1-xSbx合金具有复杂的表面态结构,表面具有奇数个狄拉克点.寻找体能隙大、表面态结构简单、组成为化学计量比、存在非常稳定、且容易合成的晶态拓扑绝缘体材料成为了物理学家、材料学家及化学家关注的焦点.2009年,Zhang等16理论预言了三方相的V2VI3化合物(Sb2Te3,Bi2Se3,Bi2Te3)是三维拓扑绝缘体,其表面布里渊区k=0的Γ点具有单一的无能隙的狄拉克锥.这些理论预测被同时进行的实验所证实.普林斯顿大学的Hasan小组17和斯坦福大学的Shen小组18分别利用角分辨光电子能谱在Bi2Se3和Bi2Te3单晶中观察到了单个狄拉克锥型表面态的存在.此外,该类材料的体态存在能隙,比如Bi2Se3的体能隙约为0.3 eV(等价于3600 K),远远超出室温能量尺度,这说明有可能实现室温低能耗的自旋电子器件.尽管不断有理论预言新的拓扑绝缘体的存在,比如half-Heusler和chalcopyrite三元化合物等家族中被预测存在着大量拓扑绝缘体材料,19-23V2VI3晶体材料(Sb2Te3,Bi2Se3,Bi2Te3)仍然是目前的研究热点.然而,相对于常规绝缘体而言,拓扑绝缘体V2VI3的体能隙并不大,目前体能隙最大的拓扑绝缘体Bi2Se3也才0.3 eV.事实上,通常利用高温烧结方法制备的单晶块体样品具有很大的本征缺陷密度并被严重掺杂,样品的费米能级往往位于体相的导带或者价带中,很难实现其体态的本征绝缘.由于单晶块体样品中的体相原子远多于其表面态原子,样品的电学特性将完全由大量的体态载流子所支配,这将制约深入研究拓扑绝缘体这种新的量子态及其器件物理.24拓扑绝缘体表面态本征物性的研究备受关注,是决定拓扑绝缘体未来的研究和应用潜力的关键问题之一.科学工作者正通过外场调控和化学掺杂等方法来调控拓扑绝缘体的费米能级位置,使费米能级只与表面态相交,以降低体态载流子的影响,凸显表面态相关的新奇物理现象.对于常用的拓扑绝缘体单晶块体样品,因样品的厚度远远大于电场的穿透深度,难以利用外场来调控单晶块体样品的费米能级.人们主要采取掺杂与化学改性对单晶块体样品的费米能级进行调控,比如在Bi2Te3中掺入Sn和在Bi2Se3中掺入Ca、Sb、Mg、Pb等元素可以实现费米能级的调控.18,25-31虽然单晶块体样品的掺杂可改变其能带结构,但往往同时也降低了晶体的质量和载流子的迁移率,32导致掺杂的块体材料的电学测量结果并不乐观.比如,Ong等33对体态绝缘的拓扑绝缘体CaxBi2-xSe3单晶进行了低温电磁测量,在毫米级大小的单晶样品中的电磁测量中发现一种反常的电磁涨落,其振幅远远大于普适电导涨落.分析结果表明这种涨落现象仍然来源于体相杂质载流子,而不是拓扑表面态.考虑到Ran等34最近的理论计算预言——拓扑绝缘体晶体中存在的线位错将形成一维拓扑态,Ong等33推测他们测得的这种电磁涨落可能与体材料的晶格位错等缺陷有关.由以上的分析可知,高质量材料的可控制备依然是拓扑绝缘体研究领域亟待解决的关键科学问题.发展新颖的材料制备方法制备高质量的拓扑绝缘体材料尤为重要.相比块体单晶材料,拓扑绝缘体的纳米材料尤其是二维纳米结构(如纳米带、纳米薄片、薄膜等)更具优势:24(1)纳米材料具有大的比表面积,其比表面积随样品尺寸的变小而显著增大;(2)少量的掺杂或化学改性可能显著调控拓扑绝缘体纳米材料的电学性质;(3)高质量的拓扑绝缘体低维纳米材料具有明确的晶体结构和组分,是构筑复杂纳米结构与纳米器件的理想基元,借助现代表征和测量技术,可以方便地研究器件中存在的材料和界面问题;(4)拓扑绝缘体材料的载流子浓度可利用纳米薄片或薄膜场效应管的场效应来调控,并可以制备成低维异质结构以及各种平面器件,有助于器件加工和集成.迄今为止,人们已经发展了“自上而下”(Top-Down)和“自下而上”(Bottom-Up)两大类方法来制备拓扑绝缘体二维纳米材料.3,35“自上而下”是从单晶块体样品中通过机械剥离或者化学剥离的方法获得单层或少层二维纳米材料,包括:显微机械剥离方法、36,37化学插层方法、38,39通过原子力显微镜(AFM)针尖进行剥离的方法40等.“自下而上”是通过化学反应从原子或者分子尺度上合成单层或少层二维纳米材料,包括分子束外延(MBE)、41-45化学气相沉积(CVD)、24,46,58物理气相沉积(PVD)、47-49湿化学合成50,51等.2009年开始,清华大学薛其坤教授的研究团队首次建立了在不同单晶基底上高质量拓扑绝缘体薄膜的MBE生长动力学,52实现了体相绝缘的拓扑绝缘体Bi2Se3薄膜的外延生长,并利用STM观察到MBE薄膜表面电子在原子台阶和杂质附近散射形成的驻波以及表面金属态的朗道量子化现象.53北京大学的彭海琳与斯坦福大学Cui等人合作,通过气-液-固(VLS)生长机制,利用简单易得的CVD装置制备了高质量的拓扑绝缘体纳米带,发现构筑具有大的比表面积的纳米结构可以有效降低体态载流子的贡献,并通过电学输运测量,首次观测到与拓扑绝缘体Bi2Se3表面电子态相关的Aharonov-Bohm(AB)量子干涉效应,证实了拓扑绝缘体中能产生AB效应的表面态电子波的存在.24这一工作给拓扑绝缘体在电学测量实验上的研究带来了新的转机,推动了拓扑绝缘体的实验进展.54随后,科研工作者迅速展开了拓扑绝缘体Bi2Se3、Bi2Te3和Sb2Te3纳米结构的制备和电学输运研究.2010年,Jarillo-Herrero等55通过微机械剥离的方法得到了厚度为17 nm的砷掺杂的Bi2Se3纳米薄片,构建了场效应晶体管,通过在晶体管上构造高k值的顶栅,实现了对Bi2Se3准二维纳米材料表面电子态的外场调控,并观察到了类似石墨烯的双极化效应.2011年,Wang等31通过液相反应合成了Bi2Te3纳米带,通过场效应晶体管的顶栅实现了Bi2Te3纳米带费米能级的调控.通过顶栅电压把费米能级调节到了体态的带隙中,进而在Bi2Te3纳米带中直接观测到了表面电子态的AB干涉和SdH振荡.2011年,Cui等56在(BixSb1-x)2Te3本征拓扑绝缘体二维纳米薄片中,发现了与石墨烯场效应晶体管类似的双极化场效应现象.围绕拓扑绝缘体二维纳米结构的可控生长方法与器件研究,根据Bi2Se3和Bi2Te3的层状各向异性晶体结构特点,我们提出和发展了拓扑绝缘体二维纳米结构的范德华外延(van der Waals epitaxy)生长方法,35,47,48,57通过对生长基底种类、基底温度、载气流量、粉源温度、压强等生长条件进行设计和优化,在不同基底(石墨烯、云母)上外延生长了高质量的少层拓扑绝缘体二维纳米结构,35,48,57实现层数、尺寸、定点与定向的控制,47并对少层拓扑绝缘体纳米结构进行系统的谱学与电学测量,24,35,48,49还对其在柔性透明导电薄膜上的应用进行了初步探索.57本文将对我们在拓扑绝缘体二维纳米结构的生长与器件等方面的成果进行归纳和总结,并对拓扑绝缘体未来的研究方向、实际应用前景进行展望.层状的Bi2X3(X=Se,Te)是典型的三维拓扑绝缘体,其晶体结构属于D53d(R3m)为斜方晶系,沿着c轴方向可视为层状六面体结构(图1C),59每层包括X-Bi-X-Bi-X(X=Se,Te)五个原子层(quintuple layer, QL),每QL的层厚约1 nm.层内为强的共价键合,而层间为相对较弱的范德华相互作用.每层的上下表面为饱和键合的Se或Te,而层的边侧存在大量悬挂键.作为一种独特的气相沉积技术,范德华外延利用外延层和基底之间范德华力或静电力弱相互作用,生长高质量层状材料的外延技术(图2A).60,61范德华外延无需外延层与基底成键,外延层的应变能快速和有效的驰豫可有效减少外延层和基底晶格失配的影响,尤其适用于与基底晶格失配度大的层状结构的生长.许多二维层状晶体材料具有各向异性结构,层内是很强的共价结合,而层间为较弱的范德华相互作用;表面不含悬挂键,呈化学惰性,而边侧存在大量化学活性的悬挂键.62-65因此,这种各向异性成键特性决定了层内的生长速度远大于层间生长速度,理论上可以通过范德华外延的方法逐层生长高质量、层数可控的二维晶体材料.范德华外延基底的表面物理化学性质对二维外延层的生长有重要影响.我们在非晶态SiO2基底上的生长结果表明,49基底上表面悬挂键的存在制约着大面积超薄的拓扑绝缘体二维纳米材料的生长.在SiO2基底上只能得到3层以上、取向不一致的Bi2X3(X=Se,Te)二维纳米薄片,横向尺寸最大约为20µm.表面化学惰性的层状单晶基底有助于制备取向一致、大面积、高结晶质量、厚度达单层的拓扑绝缘体二维纳米材料.我们发现表面原子级平整、化学惰性的层状石墨烯和云母是理想的范德华外延基底,47,48,57可实现厚度可控、尺寸可控的高结晶质量的少层至单层拓扑绝缘体二维纳米结构和大面积薄膜的范德华外延,并首次实现了拓扑绝缘体二维纳米结构均匀阵列的定向与定点生长.47如图2B所示,在导电基底石墨烯上生长的三角形或六边形Bi2Se3纳米薄片定向排列.由于石墨烯表面的褶皱或缺陷等影响,少数纳米薄片的取向有一定的角度偏移.纳米薄片具有高的结晶质量,厚度均一、可达单层,可覆盖石墨烯整个畴区.在绝缘的云母基底上,范德华外延法制备的三角形或六边形Bi2Se3二维纳米薄片的取向完全一致(图2C),厚度均一,横向尺寸在几个到几十微米之间.通过精确控制生长条件,降低Bi2X3在基底上的成核密度和体系蒸气分压,可进一步增加纳米薄片的侧向尺寸.目前,单一厚度的Bi2Te3二维纳米单晶薄片的最大尺寸可达0.1 mm(图2(E,F)),远大于用机械剥离、液相剥离及化学合成等方法制备的样品尺寸.进一步控制生长条件,可以在云母基底上外延得到Bi2X3的二维纳米薄膜.图2D为约10 nm厚的Bi2Se3纳米薄膜的典型光学照片,表明整个纳米薄膜的厚度较为均一,而其表面上有取向一致的三角形或者六方形纳米岛状结构. 拓扑绝缘体二维纳米阵列单晶的定向与定点控制生长有助于生长机理的探索和纳米器件的批量构建.在新鲜剥离、平整的云母表面上,拓扑绝缘体Bi2X3的成核具有随机性;而通过人为控制云母基底上的成核位点,将促使Bi2X3纳米结构的定点生长.因此,我们巧妙地利用“掩模版”和“等离子体刻蚀”选择性处理云母基底,控制成核位点,实现了拓扑绝缘体Bi2X3单晶纳米结构的定点控制生长.47我们首先设计各种形状的光刻模板,通过标准光刻方法,把光刻模板上的图形复制到事先在云母表面旋涂的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)掩膜上,或者把铜网直接覆盖在云母表面,用氧等离子体对暴露的云母基底刻蚀,除去PMMA或铜网掩膜版,进行Bi2X3二维纳米材料的生长.氧等离子体刻蚀后的云母表面形貌和化学组成发生一定的变化,66破坏了范德华外延生长的条件,而没有被刻蚀处理的云母表面区域仍然可以进行范德华外延生长,从而实现定点生长.图3A和3B分别显示了5×7和3×3 Bi2Se3纳米薄片阵列定点生长的光学照片.图3C和3D显示了云母基底上Bi2Te3纳米薄片大面积阵列的光学照片和相应的AFM高度成像.在绝缘透明的云母基底上大面积、高质量的拓扑绝缘体二维纳米结构生长的实现将为光谱测量、器件加工与电学测量提供很好的材料基础,而定点定向与层数的精确控制生长的实现将为速度更快、能耗更低的拓扑绝缘体纳电子器件的批量构建提供契机.3.1 角分辨光电子能谱拓扑绝缘体表面态的检测是研究拓扑绝缘体的新奇物性和制备拓扑绝缘体电子学器件的前提.角分辨光电子能谱(ARPES)是利用光电效应研究固体的电子结构的表面分析技术,即通过高能光子对材料的电子进行激发,测量激发电子的能量和动量,得到电子的能带结构,并同时测量费米能级附近电子的能量、运动方向和散射性质.目前,ARPES是研究晶体表面电子结构,如能带、费米面以及多体相互作用的重要工具,也是探测拓扑绝缘体的表面态最直接最有效的实验手段之一.67拓扑绝缘体Bi2Se3、Bi2Te3和Sb2Te3的狄拉克锥形的表面电子结构已经相继被ARPES直接观察到.我们与斯坦福大学的沈志勋教授小组、牛津大学的陈宇林博士合作,利用基于同步辐射光源的ARPES,研究了在管式炉CVD系统中制备的Bi2Se3、Bi2Te3等二维纳米薄片的电子能带结构.47,57 ARPES结果表明,在室温大气下放置相当一段时间后,厚度约为10 nm的Bi2Se3和Bi2Te3二维纳米薄片仍然具有拓扑绝缘体的狄拉克表面电子能带结构的鲜明特征(图4(A,B)),这说明拓扑表面态具有很好稳定性.二维纳米薄片的费米能级与体态导带能级相交,表现为明显的电子掺杂.在体态导带区域,分布着与表面态共存的额外的量子阱态,可能是生长时存在缺陷或者暴露空气掺杂引起的.我们分析约10 nm厚的Bi2Se3二维纳米薄片的ARPES数据,发现表面态与体态的载流子数目已基本一致.这一结果表明,由于纳米薄片具有大的比表面积,其体态载流子对样品整体导电性的贡献减少,而表面态载流子的贡献增大;随着厚度的减小,表面态的贡献将占主导作用.3.2 拉曼光谱在研究固体样品的能带结构和准粒子动力学方面,光谱检测与ARPES有一定互补性.光谱响应能探测带间跃迁,还能探测其它任何能够和光耦合的集体激发如声子的响应.其中,振动光谱法作为微细结构变化的灵敏探针,是揭示新型低维量子材料的结构和功能特征的有力武器.拉曼光谱是利用光照射到样品上发生非弹性散射现象,其光谱特征紧密依赖于样品原子组成、结构、对称性、掺杂等,是一种快速、有效、无损伤的振动光谱检测手段.68,69因此,拉曼光谱可能成为表征拓扑绝缘体二维纳米结构的有效工具,用来研究拉曼特征随厚度的依赖关系、声子和电子-声子的相互作用以及维度尺寸变化对表面态的影响.47,48,51,70-72我们系统地研究了范德华外延生长的拓扑绝缘体二维纳米结构的拉曼光谱,35,47,48发现Bi2Se3和Bi2Te3的特征振动模的频率和强度都依赖于层数.以石墨烯上外延Bi2Se3纳米薄片为例,如图5A和5B所示,Bi2Se3纳米薄片中出现了位于131、174 cm-1的两种振动模式的拉曼峰,并且振动模的峰位与层数相关.单层和2层纳米薄片的向低频移动, 向高频移动,表明在ab面和c轴方向上分别具有张应力和压应力,可能是与基底晶格失配引起的.3层以上Bi2Se3纳米薄片的、的峰位与厚层样品相应的峰位一致,基本没有位移,表明3层以上纳米薄片的应力得到了释放.通过石墨烯基底的拉曼峰的峰位移动,发现石墨烯ab面存在压应力,进一步证实了Bi2Se3单层和两层纳米薄片内应力的存在.不论是面内振动模还是面外振动模,峰强并不是随厚度增加单调增加,当厚度为3层时,拉曼峰强度达到最大值(图5B),4-7层厚的拉曼强度与多层(厚度＞20层)的拉曼强度趋于相同,稍大于2层的拉曼强度.另外,我们发现石墨烯表面的Bi2Te3,以及云母基底上的Bi2Se3和Bi2Te3样品的拉曼峰强度随层数的变化均有类似的结果,都是在某一厚度时拉曼峰强度达到最大值.少层拓扑绝缘体的拉曼特征与层数的灵敏依赖关系可作为其层数的有效判断手段.Bi2Te3纳米薄片峰位的mapping成像可以清楚揭示其形状和厚度分布.同一纳米薄片的拉曼强度分布相同,表明单一纳米薄片的厚度均一.3.3 显微红外光谱显微红外光谱技术将显微技术与傅里叶变换红外光谱检测结合,是具有很高光谱分辨率和空间分辨率的分子结构的灵敏探针,在微量样品的无损灵敏检测中发挥重要作用.范德华外延生长的拓扑绝缘体二维纳米薄片具有大尺寸、原子级平整、高结晶质量等特点,可望通过微区红外光谱研究拓扑绝缘体的分子结构、新奇磁电效应以及拓扑绝缘体表面化学.此外,在拓扑绝缘体表面组装上磁性材料,拓扑绝缘体可能会打开一个带隙变成二维量子霍尔液体,73出现反常磁阻现象74和新奇的拓扑磁电效应.9,75我们尝试利用显微红外光谱技术直接研究了拓扑绝缘体Bi2Te3纳米结构的磁性纳米粒子MnCO3的组装行为(图6(A,B)).47图6C显示Bi2Te3纳米薄片、MnCO3颗粒以及吸附了MnCO3颗粒的Bi2Te3纳米薄片的显微红外图谱.Bi2Te3纳米薄片在600-4000 cm-1无明显红外吸收峰,经过表面吸附后,在706、850、1400 cm-1处出现了MnCO3特征的红外吸收峰,表明MnCO3磁性颗粒已经吸附在拓扑绝缘体表面.拓扑绝缘体二维纳米薄片的微区红外光谱技术为拓扑绝缘体异质界面的新奇物理现象的探索以及拓扑绝缘体表面化学的研究提供机会.4.1 量子输运拓扑绝缘体的电学输运测量是揭示拓扑绝缘体表面态最直观的手段,对其在新型纳电子学和自旋电子学器件的应用具有重要的意义.24然而,拓扑绝缘体单晶块体样品的电学特性将完全由缺陷引起的大量体态载流子所支配,拓扑表面态本征的电学输运性质往往难以获得,这是制约深入研究拓扑绝缘体这种新的量子态和器件物理的一个障碍.3拓扑绝缘体二维纳米结构具有大的比表面积和二维平面结构,方便用来制备成低维异质结构以及各种平面电学器件.35我们在气相沉积生长的Bi2Se3准二维纳米带中首次发现了Aharonov-Bohm(AB)量子振荡现象,利用电学输运实验证明了表面态二维电子气的存在.24为了观测到AB振荡现象,沿着Bi2Se3准二维纳米带长度的方向施加了一个外部磁场B(图7A).利用标准的锁相技术,利用PPMS设备,在2 K、9 T磁场下,利用四端测量的方法测试了Bi2Se3准二维纳米带的磁阻.结果表明,表面态二维电子气覆盖了整个Bi2Se3。

渗透科技前沿元素的大学物理课程思政探究发布时间：2022-08-12T06:03:48.875Z 来源：《教学与研究》2022年第7期4月作者：武怡[导读] 本文将科技前沿作为思政元素，引入力学、电磁学、光学的教学中，通过深挖教学内容、创新教学方法、拓展传播载体武怡中国人民武装警察部队工程大学基础部【摘要】本文将科技前沿作为思政元素，引入力学、电磁学、光学的教学中，通过深挖教学内容、创新教学方法、拓展传播载体，有效传递课程思政的核心价值，实现专业课程与思政课程同向同行。

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