物理學院在拓撲絕緣體納米材料的光熱電效應研究方面取得系列新進展

2020-11-24 北大新聞網

拓撲絕緣體的材料製備和量子輸運特性是近年來國際研究前沿的一個熱點。在眾多拓撲絕緣體材料中，Bi2Se3是拓撲絕緣體家族中一種重要的三維強拓撲絕緣體。拓撲絕緣體納米結構因其巨大的比表面積和增強的表面電導貢獻非常有利於探索拓撲絕緣體奇異表面態的物理性質和開發拓撲絕緣體在自旋電子學等方面的潛在應用。

物理學院俞大鵬「納米結構與低維物理」研究團隊的青年教師廖志敏副教授帶領研究生在拓撲絕緣體Bi2Se3納米材料製備、量子輸運性質和光熱電性質等方面取得系列新進展。他們通過化學氣相沉積法可控合成了各種Bi2Se3納米結構，在量子輸運測量中觀測到Shubnikov-de Haas（SdH）振蕩，分析表明存在Berry相位π，這是拓撲絕緣體表面狄拉克費米子的重要特徵（Scientific Reports 3，1264，2013）；此外，他們在低溫強磁場條件下系統研究了單個Bi2Se3納米片的輸運性質，發現其載流子遷移率高達104cm2/Vs，並且在14特斯拉強磁場下觀察到高達400%尚無飽和跡象的正磁阻效應，揭示了磁電阻與遷移率之間的相互關係（Applied Physics Letters 103，033106，2013）；磁輸運測量對於揭示拓撲表面態的物理性質具有重要意義，但是在垂直磁場下，SdH振蕩總是疊加在一個很大的線性磁阻背景上，這為分析表面狄拉克費米子的輸運行為帶來困難，他們通過外加平面內磁場，測量到明顯的SdH振蕩，而沒有正磁阻背景，確認了來源於Bi2Se3納米片側面表面態的量子輸運（Scientific Reports 4，3817，2014）。

通過圓偏振光可以選擇性激發拓撲絕緣體的表面態，從而產生自旋極化的表面態，由於自旋方向與動量方向的鎖定關係，樣品中會產生電子定向運動的光電流。Bi2Se3也是一個很好的熱電材料，在非均勻的光輻照下，會產生光熱電效應。最近，該研究團隊協同創新，與北京大學國際量子材料科學中心孫棟教授、清華大學物理系周樹雲教授（ARPES測量）、比利時安特衛普大學的G. V. Tendeloo 教授和柯小行博士（球差矯正電鏡原子分辨結構研究）、北京理工大學吳漢春教授等合作，觀測到Bi2Se3中圓偏振光增強的光熱電效應，該結果有望用於自旋極化的電流源的產生。相關工作以「Topological Surface State Enhanced Photothermoelectric Effect in Bi2Se3 Nanoribbons」為題，在線發表在Nano Letters (DOI: 10.1021/nl501276e，2014)上，北大物理學院博士生嚴緣為該論文的第一作者。

圖1 上：Bi2Se3納米帶的球差矯正透射電鏡的原子分辨結構圖像以及室溫下測量的角分辨光電子譜ARPES (Nano Letters DOI: 10.1021/nl501276e，2014)；下：起源於Bi2Se3納米帶側壁（Sidewall）表面態輸運的SdH振蕩(Scientific Reports 4，3817，2014)

圖2 拓撲絕緣體Bi2Se3中圓偏振光增強的光熱電效應 (Nano Letters DOI: 10.1021/nl501276e，2014)

上述研究工作得到了人工微結構與介觀物理國家重點實驗室、量子物質科學協同創新中心、國家973計劃和國家自然科學基金的大力支持。

 

編輯：安寧


相關焦點

  • 拓撲絕緣體實驗研究取得新進展
    ，在拓撲絕緣體的實驗研究方面取得一系列突破性進展。照片尺寸：10納米×10納米）。原位角分辨光電子能譜測量顯示，這些薄膜具有本徵的絕緣體特徵。三維拓撲絕緣體的量子薄膜的實現為理論預言的量子反常霍爾效應、巨大熱電效應、激子凝聚等新奇量子現象的研究提供了基礎，是在拓撲絕緣體材料製備方面的一個重要進展。
  • 「拓撲絕緣體研究取得重要進展」入選2010年度中國科學十大進展
    1月18日上午，科技部召開新聞發布會，公布了「2010年度中國科學十大進展」。清華大學薛其坤、陳曦研究組和中科院物理研究所馬旭村研究組，方忠、戴希研究組，孫慶豐和謝心澄，在拓撲絕緣體領域實驗和理論兩個方面取得的系列研究成果在國際學術界引起廣泛影響，該成果以總選票排名第一入選「2010年度中國科學十大進展」。
  • 物理學院廖志敏課題組在拓撲量子輸運方向取得系列進展
    ，也為拓撲材料應用於電子、光電子器件奠定基礎。近期，北京大學物理學院廖志敏課題組在低維拓撲材料電子輸運與器件效應研究的前沿領域取得了系列重要進展。廖志敏課題組率先實驗發現了狄拉克半金屬Cd3As2中外爾費米子手性反常導致的負磁電阻效應【Nature Commun.
  • 物理所低維半導體納米材料的結構與熱電特性研究取得進展
    低維半導體納米材料是未來納電子器件的基本組成單元，在電子、熱電、光電乃至能源等領域都有重要的應用。在過去的幾年中，中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）高鴻鈞研究組在新型硼低維納米材料的製備、性質和應用方面開展系統研究，取得許多有意義的成果【Adv. Funct.
  • 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
    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。
  • 中國科大在高階拓撲絕緣體理論研究中取得新突破
    近日，我校合肥微尺度物質科學國家研究中心國際量子功能材料設計中心與物理系喬振華教授課題組與美國德克薩斯大學奧斯汀分校牛謙教授合作，在理論預言低維體系高階拓撲絕緣體方面取得新突破。拓撲量子體系是當今凝聚態物理一個備受關注的研究領域。
  • 張晗教授綜述:二維熱電材料研究進展
    2 綜述了基於微納器件的單層/少層二維材料本徵熱電性能測試方法及研究進展。3 討論了基於二維材料的光-熱電效應在自供電光電器件中的應用進展及機制。對基於二維材料的塊體、薄膜熱電材料的應用進行了闡述，探討了二維材料作為填充劑在無機和有機熱電材料中的性能優化機制和應用進展，討論了二維材料本徵熱電性能的研究方法，探討了基於二維材料的光-熱電效應的光電探測器的研究進展。文章最後對二維材料在熱電領域的一些潛在問題和發展思路進行了總結。
  • 新工具可用於尋找拓撲絕緣材料
    拓撲絕緣體作為一種新奇的量子物態，自問世以來就受到了廣泛的關注。與普通絕緣體相比，拓撲絕緣體同時具有絕緣體和導體雙重性，即在塊材內部是有帯隙的絕緣態，但在表面卻存在無帯隙的金屬表面態。這種表面態是由能帶結構的內在拓撲性質所決定，受時間反演不變對稱性的保護，不容易受到缺陷、雜質等外界環境的影響。
  • 國家納米科學中心在納米材料生物效應研究方面取得新進展
    近日，國家納米科學中心中國科學院納米生物效應與安全性重點實驗室陳春英研究組與納米材料研究室唐智勇研究組合作，在以秀麗線蟲為模型研究納米材料生物效應方面取得重要進展，研究結果發表在美國化學會的Nano Letters 雜誌上（2011, 11: 3174-3183）。
  • 清華江萬軍團隊在拓撲磁結構的熱電操控和探測方面取得進展
    清華新聞網10月27日電 物理系江萬軍課題組在拓撲磁結構的熱電操控和探測方面取得研究進展。研究者發現，利用晶片原位加熱技術，可以在磁性器件中產生出納米尺度大小的斯格明子（skyrmion）；且斯格明子會沿熱流方向從高溫區域向低溫區域單向擴散；同時可以通過熱電探測的方式原位檢測單個斯格明子。
  • 物理所高壓誘導拓撲絕緣體碲化鉍超導性研究取得新進展
    最近，中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）超導國家重點實驗室趙忠賢院士、孫力玲研究員及博士研究生張超等與周興江研究員及博士生陳朝宇合作，利用自主研製的先進的低溫－高壓－磁場綜合測量系統，對拓撲絕緣體Bi2Te3單晶進行了系統的研究。通過高壓原位磁阻和交流磁化率的雙重測量，研究了壓力誘導的拓撲絕緣體至超導體的轉變。
  • 【本期關注】中科院工程熱物理研究所在單晶熱電纖維研究方面取得新進展
    譬如具有優良熱電性能的SnSe單晶材料，能夠實現熱能與電能的相互轉化，在溫差發電和熱電製冷領域有著巨大的應用前景。然而傳統的單晶生長方法由於生長速度慢、製造條件嚴格、加工成本高等因素，限制了單晶SnSe材料的大規模產業化應用。
  • 拓撲半金屬材料研究取得新進展—論文—科學網
    最近，中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心研究員田明亮課題組在拓撲半金屬研究中取得新進展。
  • 先進熱電材料與器件設計的研究進展
    研究背景近年來，不可再生能源的過度消耗和因此造成的日益嚴重的環境問題已經引起世界上廣泛的關注。為了緩解未來可能出現的能源危機和環境汙染，探索生態友好型可持續新能源與新技術至關重要。熱電材料及器件能夠實現熱能和電能之間的直接轉換，因此在回收廢熱節約能源以及中小規模製冷方面具有無可比擬的優越性。熱電材料與器件設計是熱電研究領域的重要課題。
  • 進展 | 二維材料及異質結的高通量計算取得重要進展
    尋找新材料、新結構和新原理器件是推動信息化器件進一步發展的關鍵。近年來，二維材料由於僅有單個或幾個原子層厚度，量子效應凸顯，呈現出許多區別於傳統三維材料的新奇物性和卓越性能，有望成為新原理型光、電、磁等器件的核心材料。
  • 物理所關聯拓撲絕緣體和關聯拓撲晶體絕緣體研究獲進展
    拓撲絕緣體是當前凝聚態物理的研究熱點之一。這類材料不同於傳統的「金屬」和「絕緣體」，其體內為有能隙的絕緣態，而表面則是無能隙的金屬態。這種金屬表面態是由內在電子結構的拓撲性質決定的，受時間反演不變性的保護，因而受缺陷、雜質等外界影響較小。目前發現的和實驗研究的拓撲絕緣體大部分是半導體材料，電子間的關聯效應很小，理論分析較為簡單。
  • 合肥研究院在新型熱電材料物理機制研究中獲進展
    近日，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所研究員張永勝課題組在理論計算和解釋新型熱電材料（Pyrite型ZnSe2）的物理機制研究中取得新進展。該研究通過求解聲子和電子玻爾茲曼輸運方程，理論計算發現Pyrite型ZnSe2具有良好的熱電性質；基於對材料中原子成鍵情況和聲子振動性質的分析，解釋其具有低晶格熱導率的物理機制。
  • 進展 | 拓撲半金屬的大橫向熱電效應和潛在應用
    作為新型能源和製冷材料，熱電材料具有無振動，無噪音，無需維護，可集成化等一系列優點，在空間技術，微電子與信息技術等領域具有廣泛的應用前景。但是，當前熱電材料的轉換效率仍然較低，限制了其應用範圍。傳統熱電材料主要是摻雜的窄帶隙半導體，其效率受制於若干基礎物理原因。其中兩個方面尤其重要：一方面，電子空穴的熱電效應符號相反，二者相互補償降低了材料的總熱電效應。
  • 進展|拓撲半金屬的大橫向熱電效應和潛在應用
    熱電材料可以實現溫差和電能的直接相互轉換。作為新型能源和製冷材料，熱電材料具有無振動，無噪音，無需維護，可集成化等一系列優點，在空間技術，微電子與信息技術等領域具有廣泛的應用前景。但是，當前熱電材料的轉換效率仍然較低，限制了其應用範圍。
  • 物理所在退相干對量子自旋霍爾效應的影響研究中取得新進展
    近日，中科院物理研究所凝聚態理論與材料計算實驗室研究員謝心澄，孫慶豐和博士生江華、成淑光在前期的工作基礎上，進一步的研究了退相干對量子自旋霍爾效應的影響。該工作發表在 [Physical Review Letter 103, 036803(2009)]。　　拓撲絕緣體是現代凝聚態物理中的一個重要研究主題。