拓扑绝缘体材料生长、调控和输运性质研究获得系列进展_中国科学院物理研究所表面物理国家重点实验室

研究成果 -- 研究进展

拓扑绝缘体材料生长、调控和输运性质研究获得系列进展

作者：SF09课题组

最近三年来，三维拓扑绝缘体的研究在世界范围内取得了飞速进展，并成为凝聚态物理研究中的一个爆发性热点领域。拓扑绝缘体是一类具有非平庸的拓扑对称性(Z₂)的材料，其内部绝缘，但在表面上存在着一种无能隙的、线性色散并且自旋与动量锁定的特殊电子态。这种新的量子物质态被预言可以产生出许多新奇的准粒子和物理效应, 如磁单极、Majorana费米子和量子化的反常霍尔效应等。利用拓扑绝缘体的表面态被认为有可能实现新一代的量子计算方式和自旋电子学器件。相关的许多实验往往需要电子输运才能完成，但目前输运实验中对表面态的控制远未达到理想的程度，甚至在很多情况下仍被体电子输运所困扰。从对表面态电子调控以及将来器件应用的角度出发，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）表面物理实验室吴克辉研究组(SF9组)与固态量子信息与计算实验室/崔琦实验室李永庆研究组(Q04组)在过去两年紧密合作，开展了利用分子束外延(MBE)技术生长拓扑绝缘体单晶薄膜以及利用栅极电压调控其化学势的工作，并在材料生长、电场调控及输运性质研究中取得了一系列进展。
　在材料生长方面，我们首先采用MBE方法在Si(111)衬底上生长出高质量的Bi₂Se₃单晶薄膜，并在在国际上最先报道了这类拓扑绝缘体材料所具有的“五原子层”层状生长模式。硅是最重要的半导体材料，以Si为衬底的材料或许有利于将来拓扑绝缘体器件与当前的半导体器件技术集成。相关工作发表于Appl. Phys. Lett. (2009) [1].
　薄膜材料相比体材料的一个重要优势是可以使用栅电压调节费米能级的位置。栅电压调控可以有顶栅和背栅两种。考虑到许多实验要求在拓扑绝缘体上制备超导、铁磁等其它材料的低维结构，因此使用背栅极调控上表面的化学势更为有利，而这要求在绝缘的衬底上生长拓扑绝缘体薄膜。硅衬底虽然在低温下绝缘，但其击穿电场强度很低，无法用其实现有效地电场调控。我们选择具有很高介电常数和击穿电场强度的钛酸锶(SrTO₃)作为衬底，外延生长出高质量的拓扑绝缘体单晶薄膜（见图1），并实现了对其化学势和量子输运性质的大范围调控，并大大抑制了其体电导（见图2）。相关工作最近在Phys. Rev. Lett. (2010) 和 Adv. Func. Mater. (2011)发表[2,3]，并已得到国际同行广泛引用。

图1：左图为在SrTO₃(111)表面上使用MBE外延获得的原子级平整的单晶Bi₂Se₃薄膜的典型形貌(膜厚为30nm)。STM测量显示台阶高度为0.95 nm,对应于一个五原子层(Bi-Se-Bi-Se-Be单元)。右图为用拓扑绝缘体薄膜制作的霍尔器件的光学显微镜照片。

图二：左上角为具有背栅电极的拓扑绝缘体霍尔器件示意图。左下角为不同负栅电压下的磁电导，其变化由电场调控的反弱局域特性导致。右面三个能带示意图显示栅极电压的调控效果: 在一些器件中可以把上下表面的化学势分别调到狄拉克点之上和以下，从而实现电子和空穴并存的“独立”双通道系统。

　在量子输运性质研究方面，我们在国际上率先报道了电场对反弱局域输运性质的调控效应[2]。反弱局域现象与电子波函数在低温下的干涉行为以及表面态电子自旋和动量锁定所带来的Berry相位有关。但是，拓扑平庸的强自旋轨道耦合薄膜材料（如金膜）也会出现类似的现象。特别是，费米能级处于体导带中的拓扑绝缘体薄膜表现出与后者几乎相同的反弱局域特性，这为区分真正的拓扑绝缘体表面态输运造成了困难。我们最近的工作显示，利用背栅电压调控，我们可以把下表面(界面)处的费米能级降至狄拉克点以下，并能利用反弱局域性质对表面态输运做出甄别。实验数据和分析表明，电场调控导致的上表面为电子导电和下表面为空穴导电的系统表现出清晰地独立的双通道反弱局域输运行为。这个工作最近在Phys. Rev. B (Raid Communications)发表，并被选为“Editors’ Suggestions”文章[4]。
　上述工作与物理所方忠、戴希、吕力、施均仁、谢心澄等研究员合作完成。参与这些工作中并做出重要贡献的研究生包括陈军、张冠华、秦华军、何小月等同学。
　这一系列工作得到了中国科学院、国家自然科学基金委员会、科技部国家重点基础研究发展计划和重大科学研究计划的支持。

相关文献：
[1]. G.H. Zhang, H.J. Qin, J. Teng, J.D. Guo, Q.L. Guo, X. Dai, Z. Fang, and K.H. Wu, “Quintuple-layer epitaxy of thin films of topological insulator Bi₂Se₃”，Appl. Phys. Lett. 95, 053114 (2009).
2. J. Chen, H. J. Qin, F. Yang, J. Liu, T. Guan, F. M. Qu, G. H. Zhang, J. R. Shi, X.C. Xie, C.L. Yang, K. H. Wu,Y.Q. Li, and L. Lu,“Gate-Voltage Control of Chemical Potential and Weak Anti-localization in Bi₂Se₃”, Phys. Rev. Lett. 105，176602(2010).
3. G.H. Zhang, H.J. Qin, J. Chen, X.Y. He, Y.Q. Li and K.H. Wu, “Growth of topological insulator Bi₂Se₃ thin films on SrTiO3 with large gate-voltage-tunable chemical potential”, Adv. Func. Mater. 21，2351 (2011).
4. J. Chen, X.Y. He, K.H. Wu, Z.Q. Ji, L. Lu, J.R. Shi, J.H. Smet, and Y.Q. Li, “Tunable surface conductivity in Bi₂Se₃ revealed in diffusive electron transport”, Phys. Rev. B 83, 241304(R) (2011) (Editors’ suggestions).　

发表于：2011-07-04