物理所拓撲絕緣體材料生長調控和輸運性質研究獲系列進展

2020-12-14 中國科學院

最近三年來，三維拓撲絕緣體的研究在世界範圍內取得了飛速進展，並成為凝聚態物理研究中的一個爆發性熱點領域。拓撲絕緣體是一類具有非平庸的拓撲對稱性(Z2)的材料，其內部絕緣，但在表面上存在著一種無能隙的、線性色散並且自旋與動量鎖定的特殊電子態。這種新的量子物質態被預言可以產生出許多新奇的準粒子和物理效應，如磁單極、Majorana費米子和量子化的反常霍爾效應等。利用拓撲絕緣體的表面態被認為有可能實現新一代的量子計算方式和自旋電子學器件。相關的許多實驗往往需要電子輸運才能完成，但目前輸運實驗中對表面態的控制遠未達到理想的程度，甚至在很多情況下仍被體電子輸運所困擾。

從對表面態電子調控以及將來器件應用的角度出發，中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）表面物理實驗室吳克輝研究組與固態量子信息與計算實驗室/崔琦實驗室李永慶研究組在過去兩年緊密合作，開展了利用分子束外延(MBE)技術生長拓撲絕緣體單晶薄膜以及利用柵極電壓調控其化學勢的工作，並在材料生長、電場調控及輸運性質研究中取得了一系列進展。

在材料生長方面，他們首先採用MBE方法在Si(111)襯底上生長出高質量的Bi2Se3單晶薄膜，並在在國際上最先報導了這類拓撲絕緣體材料所具有的「五原子層」層狀生長模式。矽是最重要的半導體材料，以Si為襯底的材料或許有利於將來拓撲絕緣體器件與當前的半導體器件技術集成。相關工作發表於Appl. Phys. Lett. (2009) [1].

薄膜材料相比體材料的一個重要優勢是可以使用柵電壓調節費米能級的位置。柵電壓調控可以有頂柵和背柵兩種。考慮到許多實驗要求在拓撲絕緣體上製備超導、鐵磁等其它材料的低維結構，因此使用背柵極調控上表面的化學勢更為有利，而這要求在絕緣的襯底上生長拓撲絕緣體薄膜。矽襯底雖然在低溫下絕緣，但其擊穿電場強度很低，無法用其實現有效地電場調控。研究人員選擇具有很高介電常數和擊穿電場強度的鈦酸鍶(SrTiO3)作為襯底，外延生長出高質量的拓撲絕緣體單晶薄膜（見圖1），並實現了對其化學勢和量子輸運性質的大範圍調控，並大大抑制了其體電導（見圖2）。相關工作最近在Phys. Rev. Lett. (2010) 和 Adv. Func. Mater. (2011)發表[2,3]，並已得到國際同行廣泛引用。

在量子輸運性質研究方面，他們在國際上率先報導了電場對反弱局域輸運性質的調控效應[2]。反弱局域現象與電子波函數在低溫下的幹涉行為以及表面態電子自旋和動量鎖定所帶來的Berry相位有關。但是，拓撲平庸的強自旋軌道耦合薄膜材料（如金膜）也會出現類似的現象。特別是，費米能級處於體導帶中的拓撲絕緣體薄膜表現出與後者幾乎相同的反弱局域特性，這為區分真正的拓撲絕緣體表面態輸運造成了困難。他們最近的工作顯示，利用背柵電壓調控，可以把下表面(界面)處的費米能級降至狄拉克點以下，並能利用反弱局域性質對表面態輸運做出甄別。實驗數據和分析表明，電場調控導致的上表面為電子導電和下表面為空穴導電的系統表現出清晰地獨立的雙通道反弱局域輸運行為。該工作最近在Phys. Rev. B (Raid Communications)發表，並被選為「Editors』 Suggestions」文章[4]。

上述工作是與物理所方忠、戴希、呂力、施均仁、謝心澄等研究員合作完成。參與這些工作中並做出重要貢獻的研究生包括陳軍、張冠華、秦華軍、何小月等。

這一系列工作得到了中國科學院、國家自然科學基金委員會、科技部國家重點基礎研究發展計劃和重大科學研究計劃的支持。

圖1：左圖為在SrTiO3(111)表面上使用MBE外延獲得的原子級平整的單晶Bi2Se3薄膜的典型形貌(膜厚為30nm)。STM測量顯示臺階高度為0.95nm，對應於一個五原子層(Bi-Se-Bi-Se-Be單元)。右圖為用拓撲絕緣體薄膜製作的霍爾器件的光學顯微鏡照片。

圖2：左上角為具有背柵電極的拓撲絕緣體霍爾器件示意圖。左下角為不同負柵電壓下的磁電導，其變化由電場調控的反弱局域特性導致。右側三個能帶示意圖顯示柵極電壓的調控效果: 在一些器件中可以把上下表面的化學勢分別調到狄拉克點之上和以下，從而實現電子和空穴並存的「獨立」雙通道系統。

相關文獻：

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).

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