國防科大&南科大Nano Letters：通過能帶調控判斷三維拓撲絕緣體在二維極限下的拓撲性

【引言】

現代凝聚態物理的核心目標之一是實現物質的新量子相，并對它們的性質進行實際操控。拓撲絕緣體（TI）為未來的自旋電子學和量子計算帶來了巨大的希望。對于大多數此類應用，不可避免地需要精確的控制超薄TI薄膜（幾個原子層厚）的層數和組份。

【成果簡介】

近日，國防科技大學，南方科技大學以及清華大學的團隊研究了(Bi_1-xIn_x)₂Se₃ (0≤x≤1)薄膜的拓撲性質及電子結構演化過程。團隊利用分子束外延（MBE）的薄膜制備方式，精確控制(Bi_1-xIn_x)₂Se₃的層厚和組份，并利用角分辨光電子能譜（ARPES）和DFT理論計算，對該體系的能帶結構進行了系統地研究，進一步通過層厚和摻雜作為調控手段，研究了該體系的拓撲相變行為。

通過改變薄膜的層數與In的含量實現了薄膜能帶的調控，實驗和理論確定了(Bi_1-xIn_x)₂Se₃薄膜的幾個拓撲相之間的演化過程，以及薄膜作為二維材料的拓撲性。當Bi₂Se₃薄膜層數降低到6層以下時，它的上下表面態發生耦合并使表面態打開帶隙，使該薄膜從三維拓撲絕緣體轉變為具有帶隙表面態的二維絕緣體；隨著In摻雜濃度的增加，體系的自旋軌道耦合（SOC）減弱，可以實現(Bi_1-xIn_x)₂Se₃體系由拓撲絕緣體到普通半導體的轉變。更重要的是，實驗確定了對于三維拓撲絕緣體的Bi₂Se₃二維極限（厚度小于6層），通過摻雜In改變SOC，二維拓撲絕緣體的能隙逐漸增大，見圖3a和圖4a。該實驗結果表明了這類二維薄膜的拓撲平庸性，跟基于雜化泛函的第一性原理理論計算結果相吻合（與之前認為拓撲性隨層數變化產生振蕩性的預言不同）。該結果提供了一種采用ARPES實驗證明二維材料拓撲性質的方法。基于以上研究，最終形成了(Bi_1-xIn_x)₂Se₃薄膜以層厚和In摻雜量為變量的二維相圖。該研究成果發表在國際知名期刊Nano Letters上，文章題目為“Dimensional Crossover and Topological Nature of the Thin Films of a Three-Dimensional Topological Insulator by Band Gap Engineering”。文章的通訊作者為國防科技大學王振宇（助理研究員），南方科技大學量子科學與工程研究院陳朝宇副研究員和物理系劉奇航副教授。

【圖文簡介】

圖1 (Bi_1-xIn_x)₂Se₃薄膜表征

a-c) Bi₂Se₃, (Bi_0.4In_0.6)₂Se₃和In₂Se₃薄膜的反射式高能電子衍射譜(RHEED)；

d) 4層Bi₂Se₃薄膜的STM圖；

e) 16層In₂Se₃薄膜的STM圖；

f) (Bi₄In_0.6)₂Se₃晶格常數α隨x含量的變化曲線。

圖2 不同x值的(Bi_1-xIn_x)₂Se₃薄膜隨著層數增加的能帶結構的演化

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圖3 不同x值，不同層數的(Bi_1-xIn_x)₂Se₃薄膜的相的演化

圖4 4層和10層(Bi_1-xIn_x)₂Se₃薄膜隨著x值的變化的能帶結構演化

【小結】

研究者細致地研究了(Bi_1-xIn_x)₂Se₃薄膜電學性質隨著層數和摻雜量x值的變化趨勢。結合角分辨光電子能譜學(ARPES)和DFT帶隙演化分析，確定了(Bi_1-xIn_x)₂Se₃薄膜從一個特定相位到另一個已知拓撲的相位的演化過程。利用薄膜自身的層厚以及摻雜不同原子為操縱手段是研究拓撲材料的一種實用性強的方法。

文獻鏈接：Dimensional Crossover and Topological Nature of the Thin Films of a Three-Dimensional Topological Insulator by Band Gap Engineering,2019, Nano Letters, DOI：10.1021/acs.nanolett.9b01641.

本文由金也供稿！