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拓?fù)渚夡w常溫常壓下表面態(tài)行為研究取得進(jìn)展

發(fā)布日期：2013-07-31 瀏覽次數(shù) ：1048

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 拓?fù)渚夡w常溫常壓下表面態(tài)行為研究取得進(jìn)展
不同于傳統(tǒng)意義上的“金屬”或“緣體”，拓?fù)渚夡w代表一種全新的量子物態(tài)：它的體態(tài)是有能隙的半導(dǎo)體/緣體，表面則表現(xiàn)為沒有能隙的金屬態(tài)。這種完全由材料體態(tài)電子結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫再|(zhì)所決定的表面態(tài)，由于受到對(duì)稱性的保護(hù)，基本不受雜質(zhì)或無序的影響，因此非常穩(wěn)定。拓?fù)渚夡w的研究對(duì)探索和發(fā)現(xiàn)新的量子現(xiàn)象，以及在自旋電子學(xué)和量子計(jì)算等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用都具有重要意義。

角分辨光電子能譜是直接探測(cè)拓?fù)渚夡w表面態(tài)的主要實(shí)驗(yàn)手段，掃描隧道顯微鏡也在拓?fù)渚夡w表面態(tài)的研究中發(fā)揮了重要作用。但這些實(shí)驗(yàn)手段都是在超高真空條件下實(shí)現(xiàn)的，對(duì)新鮮清潔樣品表面的測(cè)量。另一方面，對(duì)表面態(tài)輸運(yùn)性質(zhì)的測(cè)量以及光學(xué)性質(zhì)的測(cè)量，樣品表面一般是一直暴露在空氣中或曾在空氣中暴露過。對(duì)拓?fù)渚夡w的應(yīng)用而言，也必須考慮暴露空氣的影響。那么，對(duì)于空氣中暴露過的拓?fù)渚夡w，它的表面態(tài)還存在嗎?空氣對(duì)表面態(tài)有怎樣的影響呢?

中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理實(shí)驗(yàn)室(籌)超導(dǎo)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周興江研究組博士生陳朝宇與凝聚態(tài)理論與材料計(jì)算實(shí)驗(yàn)室方忠、戴希研究組翁紅明博士等合作，利用研制的真空紫外激光角分辨光電子能譜系統(tǒng)，對(duì)典型的三維拓?fù)渚夡wBi2Se3和Bi2Te3在暴露空氣后的表面態(tài)電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，對(duì)以上問題給出了明確答案。

周興江研究組先生長(zhǎng)出了一系列高質(zhì)量的Bi2(Te,Se)3拓?fù)渚夡w單晶樣品，實(shí)現(xiàn)了樣品體態(tài)載流子從電子型到空穴型的演變。對(duì)真空解理樣品的光電子能譜研究中，他們發(fā)現(xiàn)Se摻雜量的不同會(huì)引起材料體態(tài)和表面態(tài)能帶結(jié)構(gòu)及載流子濃度的顯著變化(圖1)。隨后，他們對(duì)在空氣中或氮?dú)庵斜┞哆^的拓?fù)渚夡w表面態(tài)進(jìn)行測(cè)量(圖2，3，4)。

先，研究人員發(fā)現(xiàn)暴露空氣之后的拓?fù)渚夡w的拓?fù)浔砻鎽B(tài)依然存在，直接證明了空氣環(huán)境中拓?fù)湫虻姆€(wěn)定性;其次，暴露空氣之后材料的表面態(tài)電子結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著的變化，表現(xiàn)出明顯的電子摻雜，導(dǎo)致表面態(tài)能帶整體向結(jié)合能更大的方向移動(dòng)，費(fèi)米面也相應(yīng)地產(chǎn)生了顯著變化;后，非常有趣的是，在拓?fù)渚夡w的表面，產(chǎn)生了與表面態(tài)共存的額外的量子阱態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，通常的能帶彎曲模型不能解釋量子阱態(tài)既在價(jià)帶又在導(dǎo)帶出現(xiàn)的情形，并提出一種新的理解量子阱態(tài)形成的圖像。

拓?fù)渚夡w表面態(tài)在暴露空氣之后表現(xiàn)出的這些行為，對(duì)于拓?fù)渚夡w相關(guān)的基礎(chǔ)研究和終應(yīng)用有著重要的意義。相關(guān)的工作發(fā)表在《美國科學(xué)院院刊》上[Chen Chaoyu et al. Proceedings of the National Academy of Sciences 109 (2012) 3694]。
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