Bi2Se3拓扑绝缘体材料的电子结构研究

拓扑绝缘体材料拓扑绝缘体是一类具有特殊电子结构和拓扑保护性质的材料。

它们在固体物理学和凝聚态物理学中引起了广泛的关注和研究。

拓扑绝缘体的发现为实现高温超导和量子计算等领域的应用提供了新的可能性。

拓扑绝缘体的特殊之处在于其电子能带的带隙内存在着非平凡的拓扑结构。

这些拓扑结构可以保护材料表面或边缘的电子态不受杂质或缺陷的影响，使其具有极高的导电率。

与传统的绝缘体不同，拓扑绝缘体的导电性主要来自于其表面或边缘的拓扑保护态，而非体内的能带。

拓扑绝缘体的电子结构可以通过拓扑不变量来描述。

最常用的拓扑不变量是所谓的Z2不变量，它刻画了材料的拓扑性质。

对于一个二维拓扑绝缘体，其Z2不变量只能取0或1两个值，分别对应于平凡绝缘体和拓扑绝缘体。

而对于三维拓扑绝缘体，其Z2不变量可以取更多的值，因此在拓扑绝缘体的分类和研究中具有重要意义。

拓扑绝缘体的研究不仅在理论上具有重要意义，也在实验上取得了许多突破。

最早被发现的拓扑绝缘体是二维的量子自旋霍尔效应材料，如HgTe/CdTe量子阱。

这些材料在低温下表现出非常高的霍尔导电性，且只有边缘态进行传导。

近年来，研究人员还发现了一类三维的拓扑绝缘体，如Bi2Se3和Bi2Te3等材料。

这些材料在室温下就表现出拓扑保护的表面态，具有巨大的应用潜力。

拓扑绝缘体的发现引发了许多新的研究方向和领域。

一方面，科学家们希望进一步理解和揭示拓扑绝缘体的本质和特性。

另一方面，他们也在探索拓扑绝缘体的应用。

拓扑绝缘体的拓扑保护性质可用于实现高效的能量转换和传输，因此在能源领域具有重要意义。

此外，拓扑绝缘体还可以用于构建量子比特和实现量子计算，为量子信息领域带来了新的可能性。

虽然拓扑绝缘体在理论和实验上取得了一些重要进展，但仍然存在许多挑战和问题。

例如，如何制备高质量的拓扑绝缘体材料，以及如何有效地控制和调控其拓扑性质等。

这些问题需要在材料制备、表征和器件设计等方面进行深入的研究和探索。

拓扑绝缘体作为一类具有特殊电子结构和拓扑保护性质的材料，具有重要的科学意义和应用价值。

博士生论文探索拓扑绝缘体的电子性质拓扑绝缘体是当今凝聚态物理领域备受关注的研究课题之一。

作为一种新型的量子材料，拓扑绝缘体具有特殊的电子性质，展现出一系列令人惊奇的量子效应。

本文将探讨博士生论文的主题——拓扑绝缘体的电子性质，并从不同角度对其进行深入分析。

一、拓扑绝缘体的基本概念拓扑绝缘体是一种拥有非平凡拓扑特性的绝缘体材料。

与传统绝缘体不同，在拓扑绝缘体中，电子在体内流动的方式与传统绝缘体存在差异。

这种差异导致了一些特殊的电子性质，例如边界态和量子霍尔效应。

二、拓扑绝缘体的主要特征1. 量子霍尔效应：拓扑绝缘体在外加磁场下，能够产生沿边界传输电流的表面态。

这一现象称为量子霍尔效应，是拓扑绝缘体的典型特征之一。

2. 边界态：拓扑绝缘体的边界上可以存在特殊的电子态，称为边界态。

边界态具有零能隙和自旋极化等特点，对于电子输运和量子计算等应用具有重要意义。

三、拓扑绝缘体的研究进展近年来，拓扑绝缘体的研究取得了许多重要的进展。

研究人员通过材料设计和合成成功地获得了一系列拓扑绝缘体，并揭示了其独特的电子性质。

例如，在拓扑绝缘体中发现了关于磁场和电流之间的量子相应关系。

四、实验方法与技术研究拓扑绝缘体的电子性质通常需要使用一系列先进的实验方法和技术。

例如，磁化率测量和随机阻尼测量可用于研究拓扑绝缘体的拓扑性质。

此外，扫描隧道显微镜和光电子能谱仪是研究拓扑绝缘体边界态的重要实验手段。

五、拓扑绝缘体的应用前景拓扑绝缘体的独特电子性质使其在量子计算、量子通信和能源转换等领域具有广阔的应用前景。

例如，边界态可以用来实现无损电子传输和拓扑量子比特，为量子计算提供了新的突破口。

六、结论通过对拓扑绝缘体电子性质的探索，我们可以更深入地理解量子材料的特殊性质，并为未来的技术应用提供新的思路和方法。

随着实验技术的不断发展和理论研究的深入，相信拓扑绝缘体领域将迎来更多令人兴奋的突破和发现。

在这篇文章中，我们对博士生论文的主题进行了探究，具体分析了拓扑绝缘体的电子性质。

bi2se3晶体结构1. 引言bi2se3是一种重要的拓扑绝缘体材料，具有特殊的电子结构和独特的晶体结构。

本文将对bi2se3晶体结构进行全面、详细、完整且深入地探讨。

2. bi2se3晶体结构概述bi2se3晶体结构属于层状结构，由Bi和Se原子交替排列而成。

每个Bi原子被六个Se原子所包围，而每个Se原子则被三个Bi原子所包围。

这种层状结构使得bi2se3具有特殊的电子性质，表现出拓扑绝缘体的特征。

3. bi2se3晶体结构的空间群和晶胞参数bi2se3晶体结构的空间群为R-3m，属于三方晶系。

其晶胞参数如下：• a = b = 4.138 Å• c = 28.644 Å•α = β = 90°，γ = 120°4. bi2se3晶体结构的层状结构bi2se3晶体结构的层状结构由Bi-Se-Bi-Se-Bi-Se…序列构成。

每个Bi原子处于一个六边形的Se环境中，而每个Se原子则被三个Bi原子所包围。

这种层状结构的形成是由于Bi和Se原子之间的强烈相互作用。

5. bi2se3晶体结构的晶格常数和晶胞bi2se3晶体结构的晶格常数和晶胞参数决定了其晶体结构的特征。

晶格常数a和b 相等，而c较大，使得晶胞呈现出六边形的形状。

晶胞内部的Bi和Se原子的排列方式决定了bi2se3晶体结构的层状结构。

6. bi2se3晶体结构的电子性质bi2se3作为一种拓扑绝缘体材料，具有特殊的电子性质。

其层状结构导致了Bi和Se原子之间的强烈相互作用，形成了能带结构中的能隙。

这个能隙使得bi2se3在低温下表现出绝缘体的特性，而在高温下则呈现出导电性。

7. bi2se3晶体结构的应用由于bi2se3的特殊电子性质，它在电子学领域有着广泛的应用前景。

例如，bi2se3可以用于制造拓扑绝缘体器件，用于实现低功耗电子器件和量子计算等领域的突破。

8. 结论综上所述，bi2se3晶体结构具有独特的层状结构和特殊的电子性质。

硒化铋镀膜材料硒化铋镀膜材料是一种应用广泛的功能性薄膜材料，具有独特的光学、电学和热学性能。

本文将从硒化铋的基本性质、制备方法、应用领域等方面进行介绍，以便更好地了解和应用这一材料。

一、硒化铋的基本性质硒化铋是一种由硒和铋元素组成的化合物，化学式为Bi2Se3。

它具有层状结构，每一层由Bi-Se键连接。

硒化铋是一种半导体材料，具有较小的能隙，约为0.3-0.4 eV，属于N型半导体。

硒化铋的晶体结构具有蜂窝状的六角形，层与层之间的键长较长，层内的键长较短，这种结构使得硒化铋具有特殊的电子输运性质。

二、硒化铋镀膜的制备方法硒化铋镀膜是将硒化铋材料以薄膜的形式沉积在基底上的过程。

常用的制备方法包括物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）两种。

物理气相沉积是将硒化铋材料加热至蒸发温度，使其蒸发形成蒸汽，然后在基底表面沉积，形成薄膜。

物理气相沉积方法操作简单，制备过程中无需添加其他化学物质，可以得到较高质量的硒化铋薄膜。

化学气相沉积是通过在一定的反应条件下，使含有硒化铋前体的气体分解并在基底表面沉积，形成硒化铋薄膜。

化学气相沉积方法具有制备大面积薄膜的优势，可以控制薄膜的厚度和组分，适用于工业化生产。

三、硒化铋镀膜的应用领域硒化铋具有特殊的电子输运性质，因此在电子器件领域有着广泛的应用。

其中，最突出的应用是在热电材料和拓扑绝缘体领域。

热电材料是一类能够将热能转化为电能或将电能转化为热能的材料。

硒化铋作为一种N型半导体材料，具有较高的热电性能，可以用于制备高效的热电材料。

研究表明，将硒化铋薄膜与其他材料复合，可以进一步提高其热电性能，提高热电转换效率。

因此，硒化铋镀膜在热电材料的研究和应用中具有重要的意义。

拓扑绝缘体是一类特殊的材料，具有在材料内部存在的特殊表面态，这些表面态具有特殊的电子输运性质。

硒化铋是一种典型的拓扑绝缘体材料，具有较高的反常霍尔电阻和量子振荡效应。

研究人员通过在硒化铋薄膜上引入磁场等外界条件，可以进一步调控其电子输运性质，探索其在量子计算和量子信息存储等领域的应用。

材料科学中的新发现——拓扑绝缘体的研究拓扑绝缘体是近年来材料科学领域中的一大研究热点，它具有不同于普通绝缘体的电学性质，拓扑绝缘体中的电子在表面只能沿特定方向移动，而内部则是绝缘的，这意味着现在可以开发出更加高效的电子器件。

拓扑绝缘体的研究是材料科学中的新发现之一，下面将从理论和实验两方面进行论述。

一、理论方面在物理学中，拓扑理论是研究几何空间形状变化的一个相对独立的分支。

拓扑绝缘体的理论基础也是建立在拓扑理论之上的。

拓扑绝缘体的研究最早始于1986年，Bernevig、Hughes以及Zhang等人提出了拓扑绝缘体的理论。

他们在理论模拟中发现，一类金属材料中的电子在外界作用下会呈现出特殊的性质，称为量子反常霍尔效应。

这种现象被认为是由量子霍尔效应引起的，在量子霍尔效应中，电子在内部被禁止，反应到表面上则成为边界电流。

而量子反常霍尔效应则是一个更广泛的现象，由于其拓扑特征不同于传统的绝缘体，在一定程度上让电流绕过了材料中的缺陷和不均匀性。

这种现象类似于电路中的“空气短路”，可以让电子沿特定方向移动，非常适合作为电子器件的基本材料。

二、实验方面近年来，随着材料科学实验技术的不断创新和发展，人们终于在实验中成功合成了拓扑绝缘体材料，并对其性质进行了深入研究。

其中，最早成功合成的材料是拓扑绝缘体的经典材料——汞锗合金，这种材料的表面构成了特殊的电子轨道，能形成拓扑保护的能带，即便在杂质影响下，也能保证电子在表面的流动方向。

但由于热稳定性较差，在电子器件中的应用受到了较大的限制。

为了解决汞锗合金的缺点，在实验中还制备了许多其他的拓扑绝缘体材料，如钨磷酸盐族化合物、拓扑陈绝缘体等。

这些材料不仅具有优良的电学性质，而且能适应更为广泛的物理环境。

科学家们甚至利用拓扑绝缘体的性质，开发出了一种新型的电子器件——拓扑场效应晶体管，该器件在消耗更少的电能的同时，实现了极高的速度和精度。

三、前景展望拓扑绝缘体是材料科学中的一大新发现，在电子器件、量子计算、机器人技术等领域都有广泛的应用前景。

薛其坤清华大学物理系拓扑绝缘体：一种新的量子材料MBE Growth and STM/ARPES StudyOUTLINE 1.拓扑绝缘体简介Info highway for chips in the futureConductor Insulator材料的分类: 能带理论(固体物理的能带论)g=1g=2g=3g=0Valence BandConduction BandValence BandConduction BandSpin upSpin downK2“band twisting”Strong spin ‐orbitcouplingConductorInsulatorTopological InsulatorInsulating (bulk)conducting (surface)Spin-Orbital Coupling材料的分类(新): 拓扑能带理论g=1g=2g=3g=0E∝KpcE =Massless Dirac FermionsEffective speed of light v F ~ c /300.k xk yE gParadoxwithout mass ，，•psudo ‐spin•Klein Paradox •Linear n~E ，Linear σ~E ，Linear m~E •Localization ？•Universal σ？Spin=1/2+−狭义相对论预期了“自旋轨道耦合”Helical Spin StructureFermionsFour seasons in a dayOne night in a yearkEMomentum SpaceInfoin the future Spintronics?前沿科学研究量子反常霍尔效应/自旋霍尔效应磁单极Majorana 费米子分数量子统计(Anyon)拓扑磁性绝缘体Axion 研究……Dark matter on your desktop?Wilczek, Nature 458, 129 (2009)物质≠反物质(CP 不对称)暗物质(轴子)标准模型磁单极(磁荷)±e iθ(anyon)电荷＋磁荷＝任意子(anyon)Majorana费米子量子计算：满足非阿贝尔统计的拓扑准粒子进行位置交换操作拓扑绝缘体Zhang et al., Nat. Phys. 5, 438 (2009)Strong 3D Topological InsulatorsXia et al., Nat. Phys. 5, 398 (2009)Sb 2Te 3Bi 2Te 3Bi 2Se 3Bi 2Se 3Δ=0.36eVBi2Te3Fisher (Stanford)DiracConeNat. Phys. 2009Bulk Insulating Material difficult Thin Films by MBE and MOCVD?Si, GaAs, Sapphire…OUTLINE2.拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长(MBE)及电子结构(BiTe3/Bi2Se3/Sb2Te3)2扫描隧道显微镜：由瑞士科学家Binnig和Rohrer博士于1981年发明人类首次：9“看到”单个原子、分子9“操纵”单个原子、分子1986年诺贝尔物理学奖FetipsampleAGaAs4Se4MBESTMcryostat20ML Pb Thin Films•STM/STS: 4K •ARPES: 1meV •RHEED •5x10‐11TorrMBE ‐STM ‐角分辨光电子能谱SystemSTMMBEARPESPhoton energy: 21.2eV(HeI) Energy resolution: 10 meV Angular resolution: 0.2°T=77 KExperimental parametersSi waferReal ‐Time Electron Diffraction强度振荡T Bi >>T Si >T Se(Te)Se (Te )‐rich(Se 2/Bi>20)反射式高能电子衍射EE F0.00.10.2Bi Te “intrinsic”Conduction BandValence BandE F23 200 nm x 200 nmBi2Se3on graphene on SiC‐120mV 50 QLOUTLINE3.扫描隧道显微镜(STM) 研究拓扑绝缘体的基本性质TI Vaccum Normal insulatorBoundaryBand CuttingTopological insulatorp c H mc p c H GG G G •=+•=σβα2(m=0)•Massless 2D Dirac Equation•Boundary /Surface •Time Reversal SymmetryMoore, Nature 2010ConductorInsulatorTopological InsulatorInsulating (bulk)conducting (surface)Spin-Orbital Coupling材料的分类(新): 拓扑能带理论n-doped Geometry of Ag defectsV=400mV V=150mV V=100mV V=50mVV=200mVV=300mV Surface nature of topological states!电子受到Ag 杂质散射导致的表面驻波FFTV=400mVV=150mVV=100mVV=50mVV=200mVV=300mVdI/dV mappingsMKSBZГ400 mV100 mV 50 mV150 mV 300 mV 200 mVMKK ‐spaceOnly Γ‐ΜdirectionΓ入射电子反射电子Zhang et al., PRL 103, 266803 (2009)Info highway for chips in the future。

Bi-2Se-3拓扑绝缘体的研究现状分析摘要:由于全球碲矿的储量十分有限,并且正在逐渐减少,面临资源枯竭的危险,热电领域的科学家们正致力于探索发现一些新型的热电化合物取代目前研究应用较多的Te化合物。

Bi-2Se-3及其合金与Bi-2Te-3合金相比具有更宽的温度使用范围,并且其最佳性能值向高温方向偏移,通常出现在550K附近,同时硒矿储量相对于碲矿要丰富很多。

因此,近年来Bi-2Se-3基合金的研究逐渐成为热点。

一·拓扑绝缘体拓扑绝缘体是最近几年发现的一种全新的物质形态,现在已经引起了巨大的研究热潮。

拓扑绝缘体是一种特殊的量子体系,它的体电子结构存在能隙,没有载流子运动,表现出绝缘体行为,但是在体系的边缘具有受拓扑保护的无能隙边缘态,导致载流子得以在样品的边缘传导。

这一点和量子霍尔体系很相似。

不同的是,后者的产生需要外加磁场,破坏了时间反演对称性;而拓扑绝缘体中的表面结构的存在是靠本身的自旋轨道耦合效应,而且受到时间反演对称性的保护,所以它是一种拓扑表面态。

这类拓扑绝缘体材料有着独特的优点:首先,这类材料是纯的化学组,非常稳定且容易合成;第二,这类材料表面态中只有一个狄拉克点的存在,是简单的强拓扑绝缘体,这种简单性为理论模型的研究提供了很好的平台;第三,也是非常吸引人的一点,该材料的体能隙是非常大的,特别是Bi-2Se-3,d大约是0.3电子伏(等价于3600K)。

远远超出室温能量尺度,这也意味着有可能实现室温低能耗的自旋电子器件。

二·Bi-2Se-3的晶体结构及制备方法1·晶体结构硒化铋(Bi-2Se-3)是由第五主族和第六主族元素构成的。

Bi-2Se-3晶体可视为六面体层状结构,在同一层上具有相同的原子种类,而原子层间呈-Se(1)-Bi-Se(2)-Bi-Se(1)-的原子排布方式。

其中Bi-Se(1)之间以共价键和离子键相结合,Bi-Se(2)之间为共价键,而Se(1)-Se(1)之间则以范德华力相结合,因此,Bi-2Se-3晶体很容易在Se(1)原子面间发生解理2·制备方法目前,提高Bi-2Se-3热电优值的方法主要有:通过纳米化进一步改善Bi-2Se-3基合金的输运性能,一方面降低了声子传导的平均自由程,可以大幅降低热导率,另一方面加强了载流子的散射可以提高Seebeck系数;通过元素掺杂改变Bi-2Se-3基合金的能带结构,进一步调控载流子浓度,提高其热电性能。

doi:10.3866/PKU.WHXB 201208312[Review]物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao )Acta Phys.-Chim.Sin.2012,28(10),2423-2435October Received:July 27,2012;Revised:August 31,2012;Published on Web:August 31,2012.∗Corresponding authors.PENG Hai-Lin,Email:hlpeng@.LIU Zhong-Fan,Email:zfliu@.The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (51121091,21173004,11104003)and National Basic Research Program of China (2011CB921904).国家自然科学基金(51121091,21173004,11104003)和国家重大科学研究计划(2011CB921904)资助项目ⒸEditorial office of Acta Physico-Chimica Sinica拓扑绝缘体二维纳米结构与器件李辉1,2彭海琳1,*刘忠范1,*(1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;2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)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Sb 2Te 3,Bi 2Se 3和Bi 2Te 3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Bi 2Se 3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.关键词:拓扑绝缘体;狄拉克费米子;纳米结构;范德华外延;柔性透明导电薄膜中图分类号:O641Two-Dimensional Nanostructures of Topological Insulators andTheir DevicesLI Hui 1,2PENG Hai-Lin 1,*LIU Zhong-Fan 1,*(1Centre for Nanochemistry (CNC),College of Chemistry and Molecular Engineering,Peking University,Beijing 100871,P .R.China ;2Key Laboratory of Solar Thermal Energy and Photovoltaic System of Chinese Academy of Sciences,Institute of Electrical Engineering,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,P .R.China )Abstract:Three-dimensional (3D)topological insulators are a new state of quantum matter that are insulating in the bulk but have current-carrying massless Dirac surface states.Nanostructured topological insulators,such as quasi-two-dimensional (2D)nanoribbons,nanoplates,and ultrathin films with extremely large surface-to-volume ratios,distinct edge/surface effects,and unique physicochemical properties,can have a large impact on fundamental research as well as in applications such as electronics,spintronics,photonics,and the energy sciences.Few-layer topological insulator nanostructures have very large2423Acta Phys.⁃Chim.Sin.2012V ol.28surface-to-volume ratios that can significantly enhance the contribution of exotic surface states,and their unique quasi-2D geometry also facilitates their integration into functional devices for manipulation and manufacturing.Here,we present our recent results on the controlled growth of quasi-2D nanostructures of topological insulators,as well as their novel functional devices.High quality quasi-2D nanostructures ofBi2Se3and Bi2Te3topological insulators have been synthesized by vapor-phase growth.Ultra-thin nanoplates of the topological insulators with uniform thickness down to a single layer have been grown on various substrates,including conductive graphene.A facile,high-yield method has been developed for growing single-crystal nanoplate arrays of Bi2Se3and Bi2Te3with well-aligned orientations,controlled thickness,and specific placement on mica substrates by van der Waals epitaxy.A systematic spectroscopic study,including angle-resolved photoemission spectroscopy(ARPES),micro-Raman spectroscopy,and micro-infrared spectroscopy,was carried out to investigate the quasi-2D nanostructuresof topological insulators.Pronounced Aharonov-Bohm(AB)interference effects were observed in the topological insulator nanoribbons,providing direct transport evidence of the robust,conducting surface states.Transport measurements of a single nanoplate device,with a high-k dielectric top gate,showed a significant decrease in the carrier concentration and a large tuning of the chemical potential with electrical gating.We also present the first experimental demonstration of near-infrared transparent flexible electrodes based on few-layer topological insulator Bi2Se3nanostructures that was epitaxially grown on amica substrate by van der Waals epitaxy.Topological insulator nanostructures show promise as transparent flexible electrodes because of their good near-infrared transparency and excellent conductivity,which is robust against surface contamination and bending.Our studies suggest that quasi-2D nanostructures of topological insulators show promise for future electronic and optoelectronic applications.Key Words:Topological insulator;Dirac fermion;Nanostructure;van der Waals epitaxy;Transparent flexible electrode1引言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-x Sb x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-x Sb x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-x Sb x合金的体能带和表面能带结构,发现Bi1-x Sb x合金具有复杂的表面态2424李辉等:拓扑绝缘体二维纳米结构与器件No.10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V 2VI 3化合物(Sb 2Te 3,Bi 2Se 3,Bi 2Te 3)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Bi 2Se 3和Bi 2Te 3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Bi 2Se 3的体能隙约为0.3eV (等价于3600K),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,19-23V 2VI 3晶体材料(Sb 2Te 3,Bi 2Se 3,Bi 2Te 3)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V 2VI 3的体能隙并不大,目前体能隙最大的拓扑绝缘体Bi 2Se 3也才0.3eV .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Bi 2Te 3中掺入Sn 和在Bi 2Se 3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Ca x Bi 2-x Se 3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,有助图1(A,B)三维拓扑绝缘体的绝缘性体态和金属表面态的示意图;(C)三维拓扑绝缘体层状Bi 2X 3(X=Se,Te)的晶体结构图Fig.1(A,B)Schematic explanation for the reason why the surface of the insulating bulk exhibits metallic state due to polarized spins in three-dimensional topological insulator;(C)layered crystal structure of three-dimensional topological insulator Bi 2X 3(X=Se,Te)2425Acta Phys.⁃Chim.Sin.2012V ol.28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17nm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(Bi x Sb1-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.2拓扑绝缘体二维纳米材料的范德华外延层状的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1nm.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2426李辉等:拓扑绝缘体二维纳米结构与器件No.10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Bi 2Se 3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Bi 2Se 3二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Bi 2X 3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Bi 2Te 3二维纳米单晶薄片的最大尺寸可达0.1mm (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Bi 2X 3的二维纳米薄膜.图2D 为约10nm 厚的Bi 2Se 3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Bi 2X 3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Bi 2X 3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Bi 2X 3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Bi 2X 3二维纳米材料的生长.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3×3Bi 2Se 3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Bi 2Te 3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图2(A)范德华外延示意图;(B)石墨烯上范德华外延生长的Bi 2Se 3纳米薄片的SEM 照片;(C)云母基底上范德华外延生长的Bi 2Se 3纳米薄片阵列的透过模式光学照片;(D)云母基底上外延生长的Bi 2Se 3纳米薄膜的透过模式光学照片,圆圈中的白色部分为云母基底;(E,F)云母基底上外延生长得到的厚度为6QL 、大尺寸单晶Bi 2Te 3纳米薄片的透过模式光学照片和AFM 像Fig.2(A)Scheme diagram of van der Waals epitaxy;(B)SEM image of Bi 2Se 3epitaxy on grapheme;(C)typical transmission-mode optical microscopy image of nanoplate arrays of Bi 2Se 3on transparent mica substrates;(D)typical transmission-mode optical microscopy image of large-area,few-layer Bi 2Se 3nanosheets grown on a mica substrate,the blank mica substrate is indicated by the black circle;(E,F)optical image and the corresponding AFM image of large-size Bi 2Te 3nanoplate single crystal with 6QL inthickness grown on micaSEM:scanning electron microscopy,OM:optical microscopy,AFM:atomic force microscopy,QL:quintuple layer.Reproduced from Refs.47,48,57.Copyright ©2012Nature Publishing Group,2010and 2012American Chemical Society.2427Acta Phys.⁃Chim.Sin.2012V ol.28器件的批量构建提供契机.3拓扑绝缘体二维纳米材料的谱学研究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Bi 2Se 3、Bi 2Te 3和Sb 2Te 3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Bi 2Se 3、Bi 2Te 3等二维纳米薄片的电子能带结构.47,57ARPES 结果表明,在室温大气下放置相当一段时间后,厚度约为10nm 的Bi 2Se 3和Bi 2Te 3二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10nm 厚的Bi 2Se 3二维纳米薄片的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图4(A)ARPES 测量的云母基底上Bi 2Se 3纳米薄片在Κ-Γ-Κ方向的能带结构图,Bi 2Se 3能带结构由导带(CB)和价带(VB)之间直接带隙的体态和具有Dirac 锥结构的表面电子态(SS)组成;(B)在特定结合能下,以k x 和k y 为函数的能带结构等能量图Fig.4(A)Electronic band dispersion along the Κ-Γ-Κdirection of large-scale Bi 2Se 3nanoplate aggregates grown on a mica substrate measured by ARPES.A direct band gap between the conduction band (CB)and valence band (VB)and Dirac-cone-typed surface state (SS)were identified;(B)constant-energy contour images of the band structure as functions of k x and k y at certainbinding energiesReproduced from Ref.47,Copyright ©2012AmericanChemicalSociety.图3(A)云母基底上定点生长的5×7圆形Bi 2Se 3纳米薄片阵列光学照片;(B)云母基底上定点生长的3×3三角形Bi 2Se 3纳米薄片阵列光学照片;(C)云母基底上定点生长的11×14Bi 2Te 3纳米薄片阵列的光学照片;(D)图C 虚线方形框中2×2Bi 2Te 3纳米薄片相应的AFM 像及其高度像Fig.3Optical microscopy images of (A)the 5×7round and (B)3×3triangular Bi 2Se 3nanoplate arrays on mica;(C)optical microscopy image of 11×14Bi 2Te 3nanoplate array on mica;(D)corresponding AFM image and high profile of the 2×2Bi 2Te 3nanoplate array shown in thedashed black box of (C)Reproduced from Ref.47,Copyright ©2012AmericanChemical Society.2428。

bi2se3晶体结构【原创版】目录1.Bi2Se3 晶体结构的概述2.Bi2Se3 晶体结构的特点3.Bi2Se3 晶体结构的应用正文1.Bi2Se3 晶体结构的概述Bi2Se3（二铋硒化合物）是一种具有独特晶体结构的材料，其化学式为 Bi2Se3，表示两个铋原子（Bi）与三个硒原子（Se）组成的分子。

这种化合物具有很多有趣的物理和化学性质，这些性质主要源于其特殊的晶体结构。

2.Bi2Se3 晶体结构的特点Bi2Se3 晶体结构属于层状结构，其特点是在二维平面上，铋原子与硒原子呈六角形密排，层与层之间通过范德华力相互堆垛。

这种结构具有一些独特的性质，例如：（1）在室温下，Bi2Se3 晶体结构是半导体，但在低温下，它可以表现出拓扑绝缘体的特性。

这意味着在它的表面，电子不能自由流动，但在其内部，电子可以自由流动。

（2）Bi2Se3 晶体结构具有较大的光学吸收系数，这使得它在光吸收和光催化等领域具有潜在应用。

（3）由于其特殊的晶体结构，Bi2Se3 具有较大的电导率，这使得它在电子器件领域具有潜在应用。

3.Bi2Se3 晶体结构的应用由于 Bi2Se3 晶体结构具有上述独特的物理和化学性质，它已经在多个领域展现出潜在的应用前景，包括：（1）光电子器件：由于其半导体特性，Bi2Se3 可以应用于光电子器件，如光开关、光调制器、光探测器等。

（2）光催化：Bi2Se3 晶体结构的大光学吸收系数使其在光催化领域具有潜在应用，例如光解水制氢、光降解有机污染物等。

（3）拓扑绝缘体：Bi2Se3 在低温下表现出拓扑绝缘体的特性，这使得它在未来量子计算、拓扑电子学等领域具有潜在应用。

总之，Bi2Se3 晶体结构作为一种具有独特物理和化学性质的材料，已经在多个领域展现出潜在的应用前景。